JP5014547B2 - Method for forming electrode of electronic switching element or transistor on substrate - Google Patents

Method for forming electrode of electronic switching element or transistor on substrate Download PDF

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Description

【0001】
本発明は、溶液処理された素子およびそのような素子を形成する方法に関するものである。
【0002】
半導電性共有ポリマー薄膜トランジスタ(TFT)は、最近、プラスティック基板上に集積された安価な、論理回路(C. Dury, et. al., APL73, 108(1998))および高解像度アクティブマトリックスディスプレイの光電集積回路およびピクセルトランジスタスイッチ(H. Sirringhaus, et al., Science 280, 1741(1998), A. Dodabalapur, et al.,Appl. Phys. Lett. 73, 142(1998))の応用により、関心が持たれるようになった。ポリマー半導体および無機金属電極ならびにゲート誘電層を有する構成のテスト素子では、高性能TFTが実証された。アモルファスシリコンTFTの性能に匹敵できる最高の0.1cm2/Vsおよび106〜108のオン−オフ電流比の電荷キャリア移動性に到達した(H. Sirringhous, et al., Advance in Solid State Physics 39, 101(1999))。
【0003】
共役のポリマー半導体の薄い素子特性膜は、有機溶剤中において、ポリマーの溶液を被覆することによって基板上に形成することができる。したがって、この技術は、理想的には、安価で、領域が広く、可撓性のプラスティック基板に対して化学反応を起こさない溶液処理に適している。潜在的なコストおよび処理の容易さといった長所を十分利用するために、半導電性層、誘電層ならびに導電電極および内部接続部を含む素子の全構成要素が溶液から析出されることが望ましい。
【0004】
全ポリマーTFT素子および回路を製造するために、下記の主要な問題が解決されねばならない。
− 多層構造の一貫性:次の半導電性層、絶縁層および/または導電性層の溶液塗布中に、その下にある層は、次の層の析出のために使用される溶剤によって溶解または膨張されるべきでない。もしも溶剤が下にある層の中に混入された場合、一般的にその層の特性の劣化を引き起こす膨張が生じる。
− 電極の高分解能パターン化:明確に規定された内部接続部およびチャネル長L≦10μmを有するTFTチャネルを形成するために導電体層をパターン化する必要がある。
− TFT回路を製造するために、垂直内部接続領域(ビアホール)は、素子の異なる複数の層における複数の電極を電気的に接続するように形成される必要がある。
【0005】
WO 99/10939 A2では、素子の次の層を析出するに先立って、溶液処理された層を不溶性の状態に変換することによって、全てがポリマーのTFTを製造する方法が実証されている。これは、下にある層の溶解および膨張の問題を解決している。しかしながら、この問題は、使用できる半導電性材料の選択を、小さく、かついくつかの点で望ましくない種類の前駆体ポリマーに限定してしまう。さらに、誘電体ゲート絶縁層の架橋結合は、誘電体層を貫通するビアホールの製造を困難にするので、機械的パンチングのような技術が使用されている(WO 99/10939 A1)。
【0006】
本発明の1つの態様によれば、複数の領域に導電性材料あるいは半導電性材料を含む電子素子を基板上に形成する方法が提供され、この素子の動作は、第1の領域から第2の領域への電流を使用し、この方法は、この材料を液体と混合することによって混合物を形成し、この基板の第1の領域の第1のゾーンと、この基板の第2の領域の第2のゾーンであって、この第1のゾーンはこの第2のゾーンよりも大きいこの混合物に対する撥性を有することと、この第1の領域だけこの第2の領域から離隔されたこの基板の第3の領域の第3のゾーンとを含む閉じ込め構造をこの基板上に形成することであって、この第1のゾーンはこの第3のゾーンよりも大きいこの混合物に対する撥性を有することと、この基板の上にこの混合物を塗布することによってこの材料をこの基板上に付着することとを含み、それによってこの付着された材料は、この素子のこの第1および第2の領域を規定し、かつこの第1のゾーンの相対的な撥性によってその平面で電気的に分離される領域を離隔され、かつこの付着された材料の離隔された領域間にこの第1のゾーンを横切る電流に抵抗するようにこの基板のこの第1の領域がないようにこの第1のゾーンの相対的な撥性によって制限できる。
【0007】
本発明の他の態様によれば、複数の領域に導電性材料あるいは半導電性材料を含む電子スイッチング素子を基板上に形成する方法が提供され、この方法は、この材料と液体とを混合することによって混合物を形成し、この基板の第1の領域の第1のゾーンと、この基板の第2の領域の第2のゾーンであって、この第1のゾーンはこの第2のゾーンよりも大きいこの混合物に対する撥性を有することと、この第1の領域だけこの第2の領域から離隔されたこの基板の第3の領域の第3のゾーンとを含む閉じ込め構造をこの基板上に形成することであって、この第1のゾーンはこの第3のゾーンよりも大きいこの混合物に対する撥性を有することと、この基板の上にこの混合物を塗布することによってこの材料をこの基板上に付着することとを含み、それによってこの付着された材料は、この第1および第3のゾーンの相対的な撥性によってこの第2のゾーンに制限できる。
【0008】
第2および第3の領域間の第1の領域の幅は、適度には20μmよりも小さく、好ましくは10μmよりも小さい。離隔された領域に形成された材料は、適度にはトランジスタのソース電極およびドレイン電極を形成する。
【0009】
この方法は、適度には離隔領域間の空間に他の材料を付着するステップを含む。離隔領域間の空間に付着される他の材料は、トランジスタのチャネルを形成してもよい。第1の材料は、導電性であってもよく、他の材料は半導電性であってもよい。この他の材料はポリマー材料であってもよい。他の材料は、溶液、第1のゾーンによって実質的に撥水されない液体の溶液から付着されてもよい。
【0010】
第2のゾーンの幅は、適度には20μmよりも小さい。この第2のゾーンの幅は、適度には10μmよりも小さい。第2のゾーンに付着された材料は適度には導電性である。このような材料は、適度には内部接続部を形成する。
【0011】
トランジスタのゲート電極とソース電極およびドレイン電極のそれぞれとの間の重複領域の幅は好ましくは20μmよりも小さい。
【0012】
トランジスタのゲート電極とソース電極およびドレイン電極のそれぞれとの間の重複領域の幅は好ましくは10μmよりも小さい。
【0013】
基板の表面は、自己組み立て単層によって与えられてもよく、第1および第2のゾーンの少なくとも1つは自己組み立て単層のパターン化によって規定されてもよい。
【0014】
自己組み立て単層をパターン化するステップは、シャドウマスクを通る光にさらすことによって実行されてもよい。
【0015】
自己組み立て単層をパターン化するステップは、基板を軟らかいスタンプと接触させることによって実行されてもよい。
【0016】
第1および第2のゾーンは、平面構造部材上に付着される層の露光表面上に形成されてもよい。
【0017】
第1の領域の混合物の接触角は、適度には20°、40°あるいは80°だけ第2の領域の混合物の接触角よりも大きい。
【0018】
基板の表面は、自己組み立て単層によって与えられ、第1および第2のゾーンの少なくとも1つは自己組み立て単層のパターン化によって規定される前述の請求項のいずれかに記載の方法。
【0019】
自己組み立て単層をパターン化するステップは、適度にはシャドウマスクを通る光にさらすことによって実行される。
【0020】
自己組み立て単層をパターン化するステップは、基板を軟らかいスタンプと接触させることによって実行される。
【0021】
基板の表面は、非極性材料によって与えられ、第1および第2のゾーンの少なくとも1つは非極性ポリマーの表面処理によって規定される前述の請求項のいずれかに記載の方法。
【0022】
この非極性材料はポリイミドであってもよい。
【0023】
この方法は、ポリイミドの分子アライメントを促進するためにポリイミドを機械的にこするかあるいはその他表面処理するステップを含んでもよい。
【0024】
この方法は、ポリイミドの分子アライメントを推進するためにポリイミドを光学的に処理するステップを含んでもよい。
【0025】
表面処理はエッチングであってもよい。表面処理はプラズマ処理であってもよい。このプラズマは好ましくは四弗化炭素および/または酸素プラズマである。
【0026】
この表面処理は紫外線光にさらすことを含んでもよい。
【0027】
好ましくは、このゾーンの1つは第2のゾーンである。
【0028】
第1のゾーンは、半導電性材料あるいは導電性材料の整列分子構造を誘起してもよいし、あるいは誘起できてもよい。
【0029】
第1のゾーンは、最も好ましくは、導電性ポリマーあるいは半導電性ポリマーにポリマーチェーンのアライメントを誘起できる。
【0030】
第1のゾーンは、適度には第1のゾーンの上に付着されるポリマー材料のチェーンのアライメントを誘起できる。
【0031】
アライメントは、好ましくは第2および第3のゾーン間に延びる方向である。
【0032】
好ましくは、チェーンは他の材料のチェーンである。
【0033】
好ましくは、導電性ポリマーあるいは半導電性ポリマーはドロップレット付着によって付着される。
【0034】
好ましくは、導電性ポリマーあるいは半導電性ポリマーはインクジェット印刷によって付着される。
【0035】
好ましくは、ゾーンの少なくとも1つの幅は、インクジェット印刷ステップで形成されたドロップレット直径よりも小さい。
【0036】
好ましくは、第1および第2のゾーン間の境界は光学的に異なっており、かつこの方法は、第1および第2のゾーン間の境界を光学的に検出し、この検出に応じてインクジェット印刷素子を基板に対して位置決めするステップを含む。
【0037】
第1の材料は、ポリマー、好ましくは共役ポリマーであってもよい。第1の材料は、液体で懸濁できる無機微粒子材料であってもよい。
【0038】
本発明の他の態様によれば、前述の請求項のいずれかの方法によって形成されるロジック回路、ディスプレイ素子あるいはメモリ素子が提供される。
【0039】
本発明の他の態様によれば、前述の請求項のいずれかの方法によって形成される複数のトランジスタのアクティブマトリックスアレイを含むロジック回路、ディスプレイ素子あるいはメモリ素子が提供される。
【0040】
次に、本発明は添付図面を参照して例として説明される。
【0041】
ここに示されている好ましい製造方法は、いずれの層も不溶性形式に変換あるいは架橋されない全有機溶液処理された薄膜トランジスタの製造を可能にする。このような素子の各層は、その溶液中からその層が析出される溶液中の溶剤によって溶解されうる形式のままであってもよい。下記に詳述されるように、これは、溶剤の局部的な付着により誘電体絶縁層を貫通するビアホールの製造を容易にする。
【0042】
このような素子は、例えば、1つまたはそれ以上の以下の構成素子を備え得る。
− パターン化された導電性ソース−ドレインおよびゲート電極および内部接続。
− 0.01cm2/Vsより大きい荷電キャリア移動性を有する半導電性層および104より大きい高オン−オフ電流スイッチング比。
− 薄膜ゲート絶縁層。
− 不純物およびイオン拡散による意図せぬドーピングから半導電性層および絶縁層を保護する拡散障壁層。
− プリント技術によるゲート電極の高解像度パターンニングを可能とする表面改良層。
− 誘電体層を貫通して内部接続するためのビアホール。
【0043】
しかしながら、ここに記載した方法は、上に述べたすべての特徴を備える素子の製造に制限されるものでないことは理解できるであろう。
【0044】
第1実施例の素子の製造について図1を参照しながら説明する。図1の素子は、トップゲート構造を有するように構成された薄膜電界効果トランジスタ(TFT)である。
【0045】
導電性ポリマーポリエチレンジオキシチオフェン/ポリスチロスルフォネート(PEDOT(0.5重量パーセント)/PSS(0.8重量パーセント))からなる水溶液をインクジェット印刷することによって、清浄した7059ガラス基板1の上にソース−ドレイン電極2、3および電極と接触パッド(図示せず)との間の内部接続線を析出させる。インクの表面張力、粘度、および湿潤性に影響を与えるためにメタノール、エタノール、イソプロパノール、またはアセトンといった他の溶剤を添加してもよい。PEDOT/PSSはバイエル社のものが市販されている("Baytron P"として入手できる)。インクジェット(IJP)プリンタは圧電型のものである。これには精密二次元変換台および顕微鏡台が備え付けられており、続いて印刷される複数のパターンを相互に位置合わせすることを可能にしている。インクジェットプリント(IJP)ヘッドは電圧パルスにより駆動される。1滴につき0.4ngという典型的な固体含有率の液滴を噴出するための適切な駆動条件は、パルス高さ20V、立ち上がり時間10μs、および立ち下り時間10μsにより達成される。ガラス基板上で乾燥された後、液滴は典型的な直径50μmおよび典型的な厚さ500ÅのPEDOTのドットを形成する。
【0046】
ソース−ドレイン電極のインクジェット印刷(IJP)は空気中で行われる。その後、サンプルは不活性雰囲気グローブボックスシステム内に搬送される。そして基板は、ポリフルオレンポリマーの場合の混合キシレンといった、後に活性半導電性層の析出に使用される有機溶剤中でスピン乾燥される。基板はその後、不活性窒素雰囲気において200℃で20分間アニールし、PEDOT/PSS電極中の残留溶剤およびその他の揮発性物質を除去する。そして、スピンコーティングにより、厚さ200−1000Åの活性半導電性ポリマー4の厚膜を析出させる。(regioregular)ポリ−3−ヘキシルチオフェン(P3HT)などのさまざまな半導電性ポリマー、ポリ−9,9’−ジオチルフオレン−コ−ヂチオフェン(F8T2)などのポリフルオレンコポリマーが使用されてきた。F8T2は、空気中でゲート電極を析出中に良好な安定性を示すため好ましい選択である。無水混合キシレン(Romil社より購入した)中のF8T2の5−10mg/ml溶液を1500〜2000rpmでスピンコーティングする。P3HTの場合は、混合キシレン中の1重量パーセント溶液を使用した。下にあるPEDOT電極はキシレンのような無極性有機溶剤には溶解しない。そして膜は、イソプロパノールまたはメタノールといった、後にゲート絶縁層5の析出に使用される溶剤中でスピン乾燥される。
【0047】
その後のアニ−リング工程を行って半導電性ポリマーの荷電転送特性を向上させることができる。高い温度で液体結晶相を示すポリマーとするために、液体−結晶転移より高い温度でアニ−リングすることによってポリマー鎖の向きを互いに平行なものとすることができる。F8T2の場合、275〜285℃で5〜20分間不活性N2雰囲気中にてアニ−リングを行う。次いでサンプルを急速に室温まで焼入れして鎖の向きを凍結させ、アモルファスガラスを形成する。アライメント層のない平面ガラス基板上にサンプルを調製する場合、ポリマーには、向きがランダムないくつかの液体−結晶ドメインがTFTチャネル内に存在するマルチドメイン構造を採用する。F8T2が液体−結晶層からの焼入れによってガラス状態で調製されているトランジスタ素子は、約5・10-3cm2/Vsの移動度を示す。この値は、スピンしている状態のF8T2膜を備える素子で測定した場合の移動度よりも大きな値以上である。析出したままの素子もまた、より高いターンオン電圧V0を示す。これは、部分的に結晶化している析出したままの相と比較して、ガラス相の局部的な電子トラップ状態の密度が低いためである。
【0048】
ポリマー鎖がトランジスタチャンネルと平行に一軸整列されている単一ドメイン状態中でポリマーを調製すると、典型的には3〜5倍のより改善した移動度を得ることができる。これは、機械的にラビングされたポリイミド層(図1(b)の参照符号9)などの適切なアライメント層によってガラス基板をコーティングするによって達成することができる。単一ドメイン状態では、ポリマー鎖は下に存在するポリイミド層のラビング方向と一軸的に平行に整列されている。これにより、TFTチャネルが鎖の整列方向に平行となっている素子において電荷キャリア移動度がさらに改善される。このようなプロセスは、出願中のわれわれの英国特許出願第9914489.1号により詳細に記載されている。
【0049】
半導電性層を析出したあと、下に存在する半導電性ポリマーが溶解しない極性溶剤からのポリヒドロキシスチレン(ポリビニルフェノール(PVP))とも呼ばれている)の溶液をスピンコーティングすることによってゲート絶縁層5を析出する。溶剤の好ましい選択としてはメタノール、2−プロパノールまたはブタノールのようなアルコールがあげられ、これらにおいてはF8T2のような非極性ポリマーの溶解性が例外的に低く膨潤しない。ゲート絶縁層の厚さは300nm(溶液濃度は30mg/ml)から1.3μm(溶液濃度は100mg/ml)の間である。水中のポリ−ビニルアルコール(PVA)、ブチルアセテート中のポリ−メチル−メタクリレート(PMMA)、またはプロピレングリコールメチルエーテルアセテートといった溶解度の要件を満たすその他の絶縁性ポリマーおよび溶剤を使用してもよい。
【0050】
次にゲート電極6をゲート絶縁層上に析出させる。ゲート電極層はゲート絶縁層上に直接析出してもよく(図1(c)を参照のこと)、または、表面改質、拡散バリアまたは溶剤との相溶性などのプロセス上の理由により、1つ以上の中間層を介在させてもよい(図1(a)および(b)を参照のこと)。
【0051】
図1(c)のようなより簡素な素子を形成するために、PEDOT/PSSゲート6をPVP絶縁層5の上に直接プリントしてもよい。基板は空気中でインクジェット印刷(IJP)ステーションに搬送され、再びここでPEDOT/PSSゲート電極パターンが使用液からプリントされる。下に存在するPVPゲート絶縁層は、PEDOT/PSSゲート電極のプリント中に誘電性の完全性が保護されるよう水中では低い溶解度を有する。PVPは極性ヒドロキシル基の密度が大きいが、超非極性ポリスチレン類似の骨格を有するためその水中溶解度は低い。同様に、PMMAは水に溶解しない。図2は、F8T2半導電性層、PVPゲート絶縁層、およびインクジェット印刷(IJP)されたPEDOT/PSSソース−ドレインおよびゲート電極を備えるインクジェット印刷(IJP) TFTの伝達特性を示す。素子特性は窒素雰囲気中にて測定する。一連の測定をそれぞれ上昇する(上向きの三角形)および下降する(下向きの三角形)ゲート電圧によってそれぞれ示す。特性は、PEDOT/PSS (Baytron P)の調製したてのバッチ(a)および1年経った古いバッチ(b)から製造した素子に関するものである。トランジスタの活動ははっきりと見て取れるが、素子は正のしきい値電圧V0>10Vをともなった特異な常オン挙動を示す一方、析出金ソース−ドレインおよびゲート電極を備えて製造された比較用素子は常オフ挙動を示すことがわかった(V0<0)。PEDOTの「古い」バッチから製造された素子においては(図2(b)を参照のこと)、大きなヒステリシス効果が観察されたが、これは移動性イオン不純物の濃度が高いことによる(下を参照のこと)。大きな空乏状態(Vg=+40V)でスイープを開始すると、トランジスタはVf 0≒+20V(上向きの三角形)でオン状態となる。しかしながら、逆スキャン(下向きの三角形)では、トランジスタはVr 0>+35でしかオフ状態とならない。
【0052】
通常オン挙動およびヒステリシス効果は、イオン性物質が素子の層の1つに拡散することによって発生しやすい。V0の異常に大きな正の値はイオンが負であることを示す。正の物質によって蓄積層の移動性電荷のいくつかを補償しV0をより負の値に導くことが期待される。このイオン性物質の出所をつきとめるために、トップ−ゲートインクジェット印刷(IJP) PEDOT電極を析出ゴールド電極に置き換えて、その他の層およびPEDOTソース/ドレイン電極を上記のように製造した。この構造において、素子は通常オフであり安定したしきい値電圧を示すことがわかった。このことは、全てがポリマーの素子におけるドーピングおよびヒステリシス効果が、導電性ポリマートップゲート電極の溶液析出、および素子のPEDOT溶液/膜からそれよりも下に存在する層への移動性かつイオン性不純物の起こり得る拡散に関係していることを意味する。
【0053】
加熱した基板上にゲート電極を析出することによって、しきい値電圧の値を制御することができること、およびヒステリシスの量を減少させることができることがわかった。これにより基板上の液滴の乾燥時間が短縮される。図3(b)は、ゲート電極の析出中基板が50℃に加熱されたTFT素子の転送特性を示している。室温でのゲート析出した場合と比較してヒステリシス効果が非常に小さく(図3b)、V0は6Vという比較的小さい正の値であることがわかる。析出温度を制御することによって、しきい値電圧をV0=1−20Vの範囲で調節することができる。
【0054】
図1(c)のような、PVP層に直接析出されたゲート電極を備える素子は空乏型(depletion type)である。この通常オン挙動は、簡素な空乏負荷論理インバータのような空乏型論理回路に有用である(図14(a))。
【0055】
エンハンスメント型常オフTFTを製造するためには、拡散障壁層を組み込むことによってゲートの析出中の半導電性物質のドーピングを防止することができる。図1(a)および(b)の素子においては、導電性ポリマーゲート電極を析出する前に非極性ポリマーの薄層7がPVPゲート絶縁層の上に析出されている。この層は中間極性PVP絶縁体を通してイオン性物質が拡散することを妨ぐ拡散障壁して働くと考えられている。PVPは、膜を通過するイオンの導電性および拡散性を高める傾向のある高密度極性ヒドロキシル基を含有する。ポリ−9,9’−ジオクチルフルオレン(F8)、ポリスチレン(PS)、ポリ(9,9’−ジオクチル−フルオレン−コ−N−(4−ブチルフェニル)ジフェニルアミン)(TBF)またはF8T2といったいくつかの非極性ポリマーを使用した。約50〜100nmのこれらのポリマーの薄膜は、PVPが溶解しないキシレンなどの非極性有機溶剤中の溶液からPVPゲート絶縁層の表面に析出させることができる。
【0056】
水中の極性溶液から非極性障壁層の上またはPMMAのような中間極性ポリマー上にPEDOT/PSSへの直接のプリンティングには、湿潤性が不十分で接触角度が大きいため問題があることがわかった。これに対応するために、表面改質層8を非極性ポリマー上に析出する。この層は疎水性表面ではなく親水性表面を形成するため上にPEDOT/PSSが形成されやすい。これにより、ゲート電極パターンを高解像度でプリントすることが可能となる。表面改質層を形成するために、PVPの薄層をイソプロパノール水溶液から析出してもよい。この水溶液には下に存在する拡散障壁層は溶解しない。PVP層の厚さは好ましくは50nmである。PVPの表面に高解像度でPEDOT/PSSを印刷することができる。別の表面改質層を採用してもよい。その例としては、石鹸状の表面活性剤または親水性および疎水性官能基を含有するポリマーの薄層が上げられる。これらの分子は、下に存在する非極性ポリマーおよび自由表面の界面に向かってそれぞれ引き寄せられて疎水基と親水基とに相分離する傾向がある。その他、非極性拡散障壁を緩やかなO2プラズマに短時間露光することにより表面を親水性にすることも可能である。TFT素子性能を損なうことのない適切なプラズマ処理は、50Wの強度の13.5MHzのO2プラズマに12秒間露光することである。
【0057】
アルコールを含有する配合剤(イソプロパノール、メタノールなど)のように水よりも極性の低い溶剤からゲート電極がプリントされる場合は、非極性拡散障壁の上の表面改質層は必要でない。
【0058】
層シークエンスの完全性は、極性および非極性溶剤からポリマー材を交互に析出することに依存する。第2の層の析出に使用される溶剤中の第1の層の溶解度は体積当たり0.1重量パーセント未満であることが望ましく、好ましくは体積当たり0.01重量パーセント未満である。
【0059】
溶剤の相溶性の基準は、極性の程度を定量化できるヒルデブランド溶解度パラメータを利用して定量化できる(D.W. van Krevelen, Properties of polymers, Elsevier, Amsterdam (1990))。それぞれのポリマー(溶剤)の溶解度挙動は3つの特性パラメータδd、δp、δhによって記載される。これらのパラメータは分散相互作用、極性、および液状のポリマー(溶剤)分子間の水素結合相互作用を特徴づけている。これらのパラメータの値は、ポリマーの異なる官能基からの寄与(contributions)を足すことによって分子構造がわかれば計算できる。これらはもっとも一般的なポリマーによって一覧表とすることができる。しばしばδpとδdを組み合わせてδy2=δd 2+δp 2とすることができる。
【0060】
混合の自由エネルギーはΔGm=ΔHm−T・ΔSmによって得られる。この式においてΔSm>0は混合のエントロピーであり、ΔHm=V・φp・φs・((δv p−δv s2+(δh p−δh s2)である(V:体積;φp,φs:混合物中のポリマー(P)/溶剤(S)の体積分率)。この式により、ポリマー(P)はΔHmの値が小さいほど、すなわち、D=((δv p−δv s2+(δh p−δh s21/2が小さいほど、溶剤(S)により溶けやすくなることが期待される。おおよその基準として、もし相互作用パラメータDが約5より小さいと、ポリマーは溶剤に溶解する。もしDが5〜10の間であれば、しばしば膨潤が観察される。もしDが10より大きいと、ポリマーは実質的に溶剤には溶解せず膨潤も発生しない。溶液加工したTFT素子において十分に急な界面を得るためには、従って、それぞれのポリマー層および次の層の溶剤の値Dが約10より大きいことが望ましい。このことは、半導電性ポリマーおよびゲート誘電体の溶剤において特に重要である。F8T2およびイソプロパノール(ブチルアセテート)の場合、われわれはDを約16(12)と見積もる。
【0061】
いくつかの素子構成について、全体の多層構造は、主に極性基を含有し水のような高極性の溶剤に溶解するポリマーと、極性基をわずかしか含有しないかまたはまったく含有せずキシレンのような非極性溶剤に溶解するポリマーと順々に交互に重ねるによって構成できる。この場合、ポリマー層および次の層の溶剤のδpが異なるため相互作用パラメータDは大きなものとなる。例としては、PEDOT/PSSの高極性ソース−ドレイン電極、F8T2などの非極性半導電性層、水溶液から析出されたポリビニルアルコールなどの高極性ゲート誘電体層、一連の層の析出を可能とする障壁層としても働くTFBの非極性分散障壁層、およびPEDOT/PSSゲート電極を備えるトランジスタ素子があげられる。
【0062】
しかしながら、単一の誘電体層によって分離された非極性半導電性層および極性ゲート電極層を備えることはしばしば便利である。この一連の層はまた、高極性および非極性ポリマー層の間に挟持された中間極性溶剤から析出された中間極性ポリマー層を用いることによっても可能である。中間極性ポリマーは、極性および非極性基の両方を含有し、高極性溶剤には実質的に溶解しないポリマーである。これに類似して、中間極性溶剤は極性および非極性基の両方を含有するが、非極性ポリマーには実質的に溶解する。溶解度パラメータの点からみると、中間極性溶剤は溶解度パラメータδhが下に存在するポリマーの値とは大きく異なるものとして定義できる。この場合、たとえ溶剤の極性溶解度パラメータδp(δv)が下に存在するポリマー層の値と似通っていたとしても、膨潤が回避できる(大きなD)。中間極性ポリマーはヒドロキシル基といった特定の官能基を含有し得、この官能基により中間極性ポリマーはポリマーの官能基に引きつけられる官能基を含有する溶剤中に可溶となる。このような引きつけ作用は水素結合相互作用であり得る。ポリマーのこのような機能は、中間極性溶剤へのその溶解度を高め極性溶剤へのその溶解度を低くするために利用できる。中間極性ポリマーの例としては、非極性半導電性層とPEDOT/PSSゲート電極との間に挟持されたPVPゲート誘電体層があげられる(図1c)。中間極性溶剤の例としては、IPAのようなアルキルアルコールがあげられる(δh=8;F8T2:δh≒0)。
【0063】
図4は、図1(a)に図示されるようなPVPゲート絶縁層、F8拡散障壁層、およびPVP表面改質層を備える全手がポリマーのF8T2インクジェット印刷(IJP)TFTの出力(a)および伝達(b)特性を示している(L=50μm)。素子はV0≦0Vのターンオンをともなう、きれいでほぼ理想的な常オフトランジスタ動作を示している。上向き(上向きの三角形)および下向き(下向きの三角形)電圧スイープ間のしきい値電圧シフトは≦1Vである。素子特性は、ゴールドソース−ドレインおよびゲート電極を備え不活性雰囲気条件にて製造された標準的な素子と非常に似通っている。電界効果移動度は約0.005〜0.01cm2/Vsであり、Vg=0と−60Vとの間で測定されたオン−オフ電流比は約104〜105のオーダーである。
【0064】
素子は、F8、TFB(図5(a)は伝達特性)、PS(図5(b)は伝達特定)、およびF8T2のような広範囲の非極性分散障壁層を備えて製造された。それぞれの場合において、きれいな通常オフ挙動、小さなヒステリシス効果およびしきい値電圧シフトが観察された。これらは、ゴールドソース−ドレイン電極を備えた比較用素子の値とほぼ同じであった。このことは、非極性ポリマーをゲート電極の下に挿入することにより、ゲート絶縁層の溶液析出中および析出後にイオン性不純物が拡散することが妨げるという解釈をサポートする。この発見により、再現性のよいTFTしきい値電圧および良好な操作安定性を得ることができた。
【0065】
拡散障壁を備える常オフ素子は上述の空乏型素子よりも好ましい。なぜなら、前者はより長期に亘るしきい値電圧安定性およびより長い寿命を持つと期待できるからである。
【0066】
半導電性層については、10-3cm2/Vsを超える、好ましくは10-2cm2/Vsを超える適切な電界効果移動度を示す共役ポリマーまたはオリゴマー材料を処理できるものであればどのような溶液を使用してもよい。適切な材料は、例えばH.E. Katz, J. Mater. Chem. 7, 369(1997)またはZ. Bao, Advanced Materials 12, 227(2000)を参照のこと。
【0067】
良好な安定性および高オン−オフ電流比を有するプリントされたTFTを製造するための重要な用件の一つとして、加工工程およびプリント工程中において、大気中および水中の酸素による意図しないドーピングに対する半導電性物質の良好な安定性が挙げられる。プリントTFTは活性半導電性層として、混合キシレン溶液から析出されるF8T2(上の記載を参照のこと)または(regioregular) P3HTといったあらゆる範囲の半導電性ポリマーを採用して製造されてきた。不活性雰囲気中で試験素子構造において調製されたP3HT TFTの場合、0.05から0.1cm2/Vsという電界効果移動度はF8T2の場合よりもやや高い。しかしながら、(regioregular) P3HTは酸素および/または水によるドーピングに対して不安定であり、その結果空気中におけるプリント工程中に膜導電性が上昇しオン−オフ電流比が悪くなる。このことは、P3HTのイオン化ポテンシャルがIp≒4.9eVと比較的低いことに関連している。P3HTについては>106という高いオン−オフ電流比が立証されたが、これを達成するには析出後にヒドラジン蒸気にさらすなどの還元デドーピング工程を行う必要がある(H. Sirringhaus, et al.,Advances in Solid State Physics 39, 101 (1999))。しかしながら、上述のインクジェット印刷(IJP) TFTについてはこの還元後加工工程を行うことはできない、なぜならこれを行うをPEDOT電極もデドープすることになるためこれらの導電性を著しく低下させてしまうからである。従って、高電流スイッチング比を達成するためには、酸素または水による意図しないドーピングに対する良好な安定性を伴ってポリマー半導体を使用することが重要である。
【0068】
良好な環境安定性および高い移動度を達成するために好ましい種類の材料は、通常の順序に並んだAおよびBブロックを含有するA−B剛性ロッドブロックコポリマーである。適切なAブロックとしては構造的に良好に定義された、高いバンドギャップを有するはしご型部(moieties)である。これらはホモポリマーとしての5.5eVよりも大きなイオン化ポテンシャルおよび良好な環境安定性を有する。適切なAブロックの例としては、フルオレン誘導体(米国特許第5,777,070号)、インデノフロオレン誘導体(S. Setayesh, Macromolecules 33, 2016(2000))、フェニレンまたははしご型フェニレン誘導体(J. Grimme et al., Adv. Mat. 7, 292(1995))があげられる。適切なBロックとしては、バンドギャップがより低く硫黄または窒素といった異種原子を含有し、ホモポリマーとして5.5eV未満のイオン化ポテンシャルを有する正孔転送部(moieties)があげられる。正孔転送Bブロックの例としてはチオフェン誘導体、またはトリアリルアミン誘導体があげられる。Bブロックの効果は、ブロックコポリマーのイオン化ポテンシャルを低下させることである。ブロックコポリマーのイオン化ポテンシャルは、好ましくは4.9eV≦Ip5.5eVの範囲である。このようなコポリマーの例としてはF8T2(イオン化ポテンシャルは5.5eV)またはTFT(米国第5,777,070号)があげられる。
【0069】
その他の適切な正孔転送ポリマーとしては、アルコキシまたはフッ素化側鎖を持つポリチオフェンなどの、イオン化ポテンシャルが5eVより大きいポリチオフェン誘導体のホモポリマーがある(R.D. McCullough, Advanced Materials 10, 93(1998))。
【0070】
正孔転送半導電性ポリマーの代わりに、可溶性電子転送材料もまた使用できる。これらの材料は、酸素などの残留雰囲気不純物がキャリアトラップとして働くことを防止するために、3eVより大きく大きく、好ましくは3.5eVより大きいという高い電子親和度を必要とする。適切な材料としては、溶液溶液プロセス可能電子転送小分子半導体(H.E.Katz,et al., Nature 404, 478(200))および電子空乏フッ素化側鎖を有するポリチオフェン誘導体があげられる。構造的に良好に定義された、5,5eVよりも大きな大きな高いイオン化ポテンシャルを持つはしご型Aブロック、およびコポリマーの電子親和度を3eV、好ましくは3.5eVよりも高い値に高める電子転送Bブロックを有するAB型ブロックコポリマーもまた適している。Aブロックの例としてはフルオレン誘導体(米国第5,777,070号)、インデノフルオレン誘導体(S. Setayesh, Macromolecules 33, 2016(2000))、フェニレンまたははしご型フェニレン誘導体(J. Grimme et al., Adv. Mat. 7, 292(1995))が上げられる。電子転送Bブロックの例としては、ベンゾチアジアゾール誘導体(米国第5,777,070号)、フェニレン誘導体、ナフタレンテトラカルボキシルジイミド誘導体(H.E. Kats et al., Nature 404, 478(2000))、およびフッ素化チオフェン誘導体があげられる。
【0071】
論路回路を高速作動させるために、トランジスタのチャネル長さL、ソース/ドレインとゲートdとの間のオーバーラップはできるだけ小さく、すなわち典型的には数μmでなければならない。もっとも重要な寸法はLである。これはなぜなら、トランジスタ回路の作動速度はL-2にほぼ比例するからである。このことは移動度が比較的低い半導電性層については特に重要である。
【0072】
このような高解像度パターンニングは、現行のインクジェットプリント技術では達成することができない。現行のインクジェットプリント技術は、最新のインクジェット印刷(IJP)技術をもってしても10〜20μmの特徴寸法に限定されている(図6)。もしより高速の作動およびより密集した特性パッキングを必要とするなら、より精密な特徴解像度を可能とする技術を採用しなければならない。以下に述べる技術は、インク表面相互作用を利用してインクジェット溶滴を基板表面に閉じ込めるものである。この技術は、従来のインクジェット印刷で達成できるチャネル長さよりもはるかに小さいチャネル長さを達成するために利用することができる。
【0073】
この閉じ込め技術は、基板上に析出される材料を精密な解像度で析出することを可能とするために利用することができる。基板の表面をまず最初に、その選択された部分において析出される材料が比較的引きつけられまた比較的はじかれるようにするために処理する。例えば、基板を前パターンニングしてある領域を部分的に疎水性としその他の領域を部分的に親水性してもよい。高い解像度および/または精密な位置合わせにより行われる前パターンニング工程により、その後の析出を正確に定義することができる。
【0074】
前パターンニングの実施例の1つを図7に示す。図7は図1(c)に示す型の素子の製造を示すものであるが、とくにチャネル長さLが精密となっている。図1(c)と同じ構成要素は同じ参照番号となっている。図7(a)は前パターンニングされた基板の製造方法を示している。図7(b)は前パターンニングされた基板への印刷およびインク閉じ込めを示している。
【0075】
ソース−ドレイン電極2、3を析出する前に、薄膜ポリイミド層10を柄部シート1上に形成する。このポリイミド層は最後にパターンニングされ、ソース−ドレイン電極が形成される場所から除去される。この除去工程は、精密な特徴定義および/または正確な位置合わせを可能とするためにフォトリソグラフィー工程によって行うことができる。このようなプロセスの一例として、ポリイミドをフォトレジスト11の層で覆う。フォトレジストはフォトリソグラフィーによってパターンニングすることで、ポリイミドを除去するべき場所からフォトレジストを除去することができる。次に、フォトレジストが耐性を示すプロセスによってポリイミドを除去する。そしてフォトレジストを除去することで正確にパターンニングされたポリイミドを残すことができる。ポリイミドを選ぶ理由は、それが比較的疎水性である反面、ガラス基板が比較的親水性であるからである。次の工程で、ソース−ドレイン電極を形成するためのPEDOT材料をインクジェット印刷によって親水性基板領域12上に析出する。インクの溶滴がガラス基板領域上に広がって疎水性ポリイミド領域10に行き当たると、インクははじかれるため疎水性表面領域に流れ込むことが防止される。
【0076】
この閉じ込め効果により、インクは親水表面領域上だけに析出され、ギャップが小さくトランジスタチャンネル長さが10μm未満の高解像度パターンを定義することができる(図7(b))。
【0077】
ポリイミドを除去できる、またはポリイミドの除去後に比表面効果を高めるために採用することのできるプロセスの一例を、図7(a)に示す。ポリイミド層10およびフォトレジスト11は酸素プラズマに露光される。酸素プラズマは、厚膜(1.5μm)フォトレジスト層よりも早く薄膜(500Å)ポリイミド層をエッチングする。ソース−ドレイン電極領域の露光された裸のガラス表面12はフォトレジストを除去する前にO2プラズマに露光されることによって非常に親水性を増す。ポリイミドの除去中に、ポリイミドの表面をフォトレジストによって保護し疎水性のままとする点に留意するべきである。
【0078】
必要に応じて、ポリイミドの表面をさらにCF4プラズマに露光することによってより疎水性を高めることができる。CF4プラズマはポリイミド表面をフッ素化するが、親水正のガラス基板とは相互作用しない。このようなさらなるプラズマ処理はフォトレジストを除去する前に行うことができ、この場合は、ポリイミドパターン10の側壁のみがフッ素化される。またはレジストを除去したあとに行うこともできる。
【0079】
2プラズマ処理済7059ガラス上の水中におけるPEDOT/PSSの接触角度は、ポリイミド表面上の接触角度がθpt≒70〜80°であるのに比較してθglass=20°である。フッ素化ポリイミド上の水中におけるPEDOT/PSSの接触角度は120°である。
【0080】
上で述べたようにPEDOT/PSSが水溶液から前パターンニングされたポリイミド層上に析出される場合、たとえチャンネル長さLが数μmでしかなくてもPEDOT/PSSインクはソース−ドレイン電極領域に閉じ込められる(図7(b))。
【0081】
インク溶滴を容易に閉じ込めるために、インク溶滴の運動エネルギーはできるだけ小さく維持する。溶滴の大きさが大きいほど運動エネルギーが大きくなり、そして広がっていく溶滴が疎水性閉じ込め構造を「無視」して隣接する親水性領域にあふれ出る可能性が大きくなる。
【0082】
好ましくはインク溶滴13の析出は、溶滴の中心とポリイミド境界との間の距離dで親水性基板領域12上に行われる。一方で、dは十分に小さく、広がるインクは境界に到達してPEDOT膜がポリイミド境界にまで全域に亘って延びるようにしなければならない。他方、dは十分に大きく、急速に広がるインクが疎水性表面領域に「あふれ」出ないようにしなければならない。このことにより、TFTチャネルを定義しているポリイミド領域10上にPEDOTが析出される危険性が増加し、ソースおよびドレイン電極の間で短絡が発生する場合がある。固体含有率が0.4ngのPEDOT溶滴をO2プラズマ処理された7059ガラス上に、2つの連続する溶滴の間の横方向ピッチを12.5μmとして析出する場合には、d≒30〜40μmという値が適していることがわかった。dの最低な値は表面上の湿潤性ならびに析出ピッチ、すなわちその後析出される溶滴の間の横方向距離、溶滴が析出される頻度、および溶液の乾燥時間に左右される。
【0083】
トランジスタのチャンネル長さを定義するための疎水性閉じ込め層は第2の機能を提供してもよい。この層は、後にトランジスタのチャネルに半導電性ポリマーを析出する際の位置合わせテンプレートとして利用できる。ポリイミド層10を機械的にラビングまたはフォトアライメントし、次いで、液体−結晶半導電性ポリマー4の単一ドメインアラインメントを提供するためのアライメント層として利用することができる(図1(b))。
【0084】
ゲート電極6も、ゲート電極が析出される溶液を引き寄せおよびはじく表面領域を提供するゲート絶縁層5上に形成されたパターンニング層14によって、同じように限定することができる。パターンニングされた層6はソース−ドレインパターンに対して位置合わせすることにより、ソース/ドレインおよびゲート電極間の重複領域を最小にできる(図7(c))。
【0085】
ポリイミド以外の物質は事前パターン化層として使用することができる。フォトリトグラフィ以外の他の精密な事前パターン化技術も使用することができる。図8は比較的疎水性層および親水性層の構造の能力を明示しインクジェット・プリント法によって析出された液状「インク」を限定している。図8はポリイミド10の薄片を含む基板の光学顕微鏡写真を示し、この薄片は相対的に疎水性になるように上述したように処理され、また露出ガラス基板12の大きい領域は相対的に親水性になるように上述したように処理される。ソースおよびドレイン電極となるPEDOT物質は、薄片10に接近するライン2および3の一連の液滴ランニングからなるインクジェット・プリントによって析出される。インクジェット物質が弱いコントラストを示しているが、析出物質の端面2および3の不意に終了した形態に見え、この析出物質は薄片の厚みL=5μmまで掘り下げても薄片10によって限定されている。
【0086】
図9はポリイミド薄片10の近傍におけるインクジェット析出プロセスの写真である。この映像は透明基板の下方に取り付けられたストロボカメラで撮影されたものである。ポリイミド・パターン10のエッジは白線として見ることができる。インクの液滴21は、インクジェット・ヘッド20のノズルから放出され、またポリイミド薄片10から距離dだけ離れたその中央に析出する。このような映像は、薄片パターン10に関するインクジェット析出の正確な局部アライメントに使用することができ、またパターン認識を使用して局部アライメント・プロシージャを自動化するのに使用される(以下を参照)。
【0087】
図10および11は、図7cに示されたように形成された出力特性および転送特性を示すともに、上述した差動湿潤処理によって規定されたそれぞれ20μmと7μmのチャネル長さLを有している。いずれの場合においても、チャネル幅Wは3mmである。図10(a)は20μm素子の出力特性を示している。図10(b)は7μm素子の出力特性を示している。図11(a)は20μm素子の転送特性を示している。図11(b)は7μm素子の転送特性を示している。7μm素子は小さいソース−ドレイン電圧で低減電流と飽和形態にある限定出力コンダクタンスを伴う特性短チャネル動作を示す。短チャネル・素子の移動度とON−OFFの電流比は、上述した長チャネル・素子のそれと類似している。すなわち、μ=0.005−0.01cm2/Vsであり、またION/IOFF=104−105である。
【0088】
インクの限定は疎水性と親水性表面上の湿潤特性内の差の結果であり、また微細構成形態の存在を必要としない。上述の実施例において、ポリイミド・フィルムは極めて薄く(500Å)作ることができ、これは液状にあるインクジェット液滴のサイズよりもずっと薄い(数マイクロメータ)。従って、基板の事前パターンを製作する別の技術は、パターン化自己集合単分子層(SAM)でガラス基板の面を機能化するようにして使用することができる。例えば、SAMはトリフルオロプロピル−トリメトキシレンのような疎水性アルキルまたはフルオロ基あるいはアルコキシ基を含んでいる。SAMはシャドウ・マスクを介して紫外線露光(H. Sugiura et al., Langmuir 2000, 885(2000))あるいはマイクロコンタクト・プリント法(Brittain et al., Physics World May 1998, p.31)のような適切な技術によってパターン化することができる。
【0089】
基板の事前パターン化は、TFTの層の析出の前に実行される事前パターン化のような上述した処理流れと容易に共用できる。従って、広範囲のパターン化およびプリント技術が使用でき、活性ポリマー層の低下の危険性なしに高解像度事前パターンを発生することができる。
【0090】
同様の技術が、ゲート電極の析出前にゲート絶縁層の面ないし表面修正層を事前パターンするのに適用でき、小さい重なり容量を達成する。図7(c)に示したように、ゲート電極6はパターン層14によって規定される。この種の事前パターン化法の一つの可能な実施例は、オクタデシルトリクロロシランのようなクロロシランまたはメトキシ・シランを含む自己集合単分子層(SAM)のマイクロコンタクト・プリント法または紫外線フォトパターン化法である。これらの分子は、これが極面上の水酸基と化学的に結合し、また表面疎水性にするSiO2またはガラス基板の表面上に安定した単分子層を形成する。PVPまたはPMMAのようなゲート誘電体単分子(ポリマー)の表面上に同様の単分子層を形成できることを発明者は見つけた。これはPVP表面上の水酸基への分子の結合のためであると思われる。SAMコート疎水性領域によって取り巻かれたソース−ドレイン電極により輪郭のはっきりした小さいオーバーラップを伴う細い親水性ラインからなる表面自由エネルギー・パターンは、軟リトグラフ・スタンプ工程によって容易に規定される。このスタンプ工程は、下層にあるソース−ドレイン電極に関してスタンプ・パターンを一致させるために光学顕微鏡またはマスク・アライナの下に実行することができる。導電性水性ポリマー・インクが頂部に析出されるときに、析出が自己集合単分子層によって規定された細い親水性ラインに限定される。この方法において、パターン化されていないゲート電極層上の通常のライン幅よって達成されるよりもより細いライン幅とすることができる。これによりソース/ドレイン対ゲートのオーバラップ容量の低減となる。
【0091】
事前パターン化基板の助けにより、TFTおよびそこの説明されたビアホール製造工程に基づいた高速論理回路を製造することができる。
【0092】
広いエリアに亘るトランジスタ回路を製造するための決定的な条件の一つは、基板上のパターンに関する析出の整合とアライメントである。適切な整合の達成は、広いエリアに亘ってゆがみを呈する可撓性基板において特に困難である。連続したパターン化工程間で、基板がゆがんでおれば、フォトリトグラフ工程中の次のマスク・レベルは、もはや下層のパターンとオーバラップしない。ここで開発された高解像度インクジェット・プリント基板は、可塑性(プラスチック)基板上においてさえも広いエリアに亘って正確な整合を達成するのに適している。なぜなら、インクジェット・ヘッドの位置が基板上のパターンに関して局部的に調整することができるからである(図9)。この局部的アライメント工程は、フィードバック機構と併合して、インクジェット・ヘッドの位置を修正する図9の技術のパターンのような映像を使用するパターン認識技術を使用して自動的に可能である。
【0093】
上述したタイプの素子を使用する多重トランジスタ集積回路を形成するために、ビアホールを形成して素子の厚みを通して直接内部接続されることが望ましい。これはこの種の回路が特にコンパクトに形成されることになるからである。このような内部接続を形成する一つの方法は、次に説明するような溶剤形成ビアホールを使用するものである。この方法は上述したTFTの溶剤処理層がまったく不溶性形態に変換されないという実際の利点を有する。これが溶剤の局部析出によるビアホールの開口を許容する。
【0094】
溶剤形成ビアホールを形成するために(図12(a))、適切な溶剤29の一定量が、層の頂部上に局部的に析出され、ここにビアホールが形成される。溶剤はホールの形成される下層を溶解することのできるものが選択される。ビアホールが形成されるまで、溶剤は漸進的溶解によって層に浸透する。溶解物質がビアホールの側壁W上に析出される。溶剤のタイプおよびこれを析出する方法については、個々の適用によって選択される。しかし、4つの好ましい観点としては:
1.溶剤および処理条件は、溶剤が蒸発されるかそうでなければ容易に除去されることであり、これによって続く処理を妨害することなく、かつ素子を過渡に、または不正確に溶解しないものである;
2.溶剤はIJPのような選択された処理によって析出され、これによって溶剤の正確に制御された量が基板上の所望個所に正確に適用できる;および
3.ビアホールの直径が溶剤液滴の表面張力と基板を湿らす溶剤の能力に影響を受ける;および
4.溶剤は、電気的接続が行われる下層を溶解しない。
【0095】
図12(a)は、図1(c)に示した一般的なタイプの部分的に形成されたトランジスタ・素子上のメタノール溶剤(液滴当たり20ngを含む)液滴29の析出を示す。図12(a)の部分的な素子は1.3μm厚のPVP絶縁層28、F8T2半導電性層27、PEDOT電極層26およびガラス基板25を含んでいる。本例において、絶縁PVP層を貫通するビアホールを形成することが望ましい。メタノールはPVPを容易に溶解させる能力のために、すなわち、続く処理工程を妨げないように容易に蒸発し、さらにPVPに対する満足する湿潤特性を有しているために溶剤として選択される。本例においてビアホールを形成するために、インクジェット(IJP)プリントヘッドは、ビアホールを形成したい基板上の位置に移動させる。従って、必要数の適切なサイズのメタノール液滴が、ビアホールが完成されるまで、インクジェット(IJP)プリントヘッドから滴下される。連続する液滴間の周期は、メタノールが素子の層を溶解する比率と一致するように選択される。各液滴は、次の液滴が析出される前に完全に、あるいはほぼ完全に蒸発されるのが好ましい。ビアホールは下部の無極性半導電性層に到達したときに、エッチング工程が停止されて下層が除去されないように注意しなければならない。イソプロパノール、エタノール、ブタノールまたはアクトンのような他の溶剤も使用することができる。高い処理量を達成するために、単一の溶剤液滴の析出によってビアホールを完成することが望ましい。300nm厚のフィルムと、30plの容積および50μmの直径を有する液滴に対して、これを達成するには容積当たり1−2重量%より高い溶剤中で層の溶解性を必要とする。単一の液滴を伴うビアホールの形成を必要とする場合は、より高い沸点がさらに望まれる。PVPの場合において、225℃の沸点を有する1,2ジメチル−2−イミダゾリジオン(DMI)を使用することができる。
【0096】
図12(b)は、ビアホールの位置にシーケンスでメタノールの数滴を滴下する効果を示す。右側のパネルは、1、3および10個の液滴を滴下した後の素子の顕微鏡写真を示す。左側のパネルは、形成されたビアホールを横切る同じ素子のデクタック(Dektak)面プロフィール測定結果を示す。(ビアホールの位置は、概して各パネル中位置「V」で示す。)数滴が同じ位置に連続して滴下されると、クレータがPVPフィルムに開けられる。このクレータの深さは連続する液滴の作用に伴って大きくなり、また約6個の液滴の後、下にあるF8T2層の表面がめくられた。溶解されたPVP物質がビアホールの側部で壁W内に析出された。ビアホールの直径は、液滴のサイズによって制限された50μm程度である。このサイズは論理回路および大きい面積のディスプレイのような多数の適用例に適している。
【0097】
ビアホールの直径は、インクジェット溶剤の液滴のサイズによって決定される。ホールの直径は、液滴の直径に正比例して観察された(図12c参照)。側壁の外径は第1液滴のサイズと拡散によて決定され、また溶解されたポリマー層の厚みとは無関係である。高解像度ディスプレイのようなより小さいホールが必要とされる適用例の場合、より小さい液滴サイズが使用される場合においてさえ、あるいは基板表面が適切な技術によって事前パターン化して上述した表面上の液滴を制限することができる。他の溶剤も使用できる。
【0098】
表面プロフィール測定結果から、ビアホールの形成が物質を溶解させ、またビアホールのエッジに移動させ、ホールは溶剤が蒸発された後に残っていることが分かる(図12(b)のWで示す)。注意しなければならないのは、移動された物質は図12(b)に示されたよりもより滑らかな形状となり、表面形態のxおよびy軸は異なるスケールとなる図12(b)をプロットしたものである(xはμm単位であり、yはÅ単位である)。
【0099】
ビアホール形成のメカニズム、すなわち物質の側壁への移動は、溶質の含まれている乾燥液滴のコンタクト・ライン(接触線)がピン留めされた場合に生じる周知のコーヒーしみ作用に似ていると考えられる。ピン留め作用は、例えば表面の荒さまたは化学的不均質のために発生する。注意しなければならないのは、優れた溶剤の析出は常に溶解中に表面荒さを発生することである。溶剤が蒸発するときに、毛細管流れが接触線近くで溶剤蒸発と置換されるために発生する。接触線近傍におけるより大きい表面対バルク比率のためにより多くの溶剤が接触線近傍で蒸発する。毛細管流れの速度は、典型的な拡散速度に比較して大きく、例えば溶質が液滴のエッジに搬送され、また溶質の析出がリム近傍のみで発生し、乾燥液滴の中心では発生しない(R.D. Deegan et al., Nature 389, 827 (1997))。溶質の拡散は、側壁の形成されるよりも溶剤の乾燥時に全エリアに亘ってポリマーの好ましい均一な再析出となる傾向にある。理論的に予測できるのは、毛細管流れの速度V(r)(r:は中心からの距離;R:液滴の半径)は、(R−r)-λに比例し、ここにλ=(π−2θc)/(2π−2θc)である。従って、Vがλの増大に伴って増加すると、接触角度θcが小さくなる。従って、エッジにおける析出量はより早く発生すればするほど、ますます接触角度は小さくなる。
【0100】
従って、ビアホールの開口のために、重要なことは(a)初期液滴の接触線はピン留めされること、(b)溶解されるべきポリマーの頂部上の液滴の接触角度は十分小さいこと、および(c)溶剤の蒸発は、ポリマー溶質拡散が無視できるくらい十分速いことである。PVP上のIPAの場合において、接触角度は12°程度であり、また液滴な一般的に1s未満内の乾燥である。
【0101】
接触角度が小さくなればなるほど、液滴内部の毛細管流れ速度がますます速くなる。すなわち、側壁の形成がますます確実になる。しかし、一方において、接触角度が小さくなればなるほど、液滴直径がますます大きくなる。従って、輪郭のはっきりした側壁を伴う小さい直径のビアホールを達成する最適な接触角度が存在する。優れた溶剤に対するより大きい接触角度を達成するために、基板の表面が、例えば溶剤のより大きい反発性を伴った自己集合単一層によって処理される。この自己集合単一層は、溶剤の析出が小さいエリアに限定されるために、例えば疎水性および親水性面領域を提供するようにパターン化される。
【0102】
ビアホールの深さおよびエッチング率は、滴下される溶剤の液滴数、液滴が析出される頻度、および基板を溶解する能力である率と比較して溶剤の蒸発率の組み合わせによって調整することができる。析出の発生される環境および基板の温度は蒸発率に影響する。溶剤に対して不溶性またはゆっくり溶解する物質の層が溶解の深さを制限するのに使用することができる。
【0103】
TFTの層シーケンスが、交互にある極性層と無極性層から構成されているので、明確な深さでエッチングを停止するように溶剤および溶剤の組み合わせを選択することが可能である。
【0104】
ビアホールを介して接触を実行するために、導電層がその上に析出され、これによってビアホール内に延長され、またビアホールの下部で物質と電気的接続がなされる。図13(a)は図12(a)に示したタイプの素子示すが、上述したビアホールの形成後に、金電極25の形成工程が含まれている。
【0105】
図13はカーブ30で下部PEDOT電極25とPVPゲート絶縁層28の頂部上に析出された導電電極29間で測定された電流・電圧特性を示す。ビアホールの直径は50μmであった。比較するために、カーブ31は、ビアホールが頂部電極と下部電極間のオーバラップ領域に配置されていない標準サンプルを示す。特性は、ビアホールを通過する電流が、ビアホールの存在しないゲート絶縁部部を通過する漏洩電流よりも数倍高い大きさであることをはっきり示している。ビアホールを通過する測定電流はPEDOT電極の導電性によって限定され、個々のPEDOT電極の導電性測定を実行することによって知ることができる。ビアホールの抵抗値によって限定されず、ビアホールの抵抗値Rvの低い制限推定値がこれらの測定から得ることができる。すなわち、Rv<500kΩである。
【0106】
図12に関する上述したビアホールを形成する方法は、拡散バリアなしに空乏層タイプの素子(図1(c)に示したような)に対して、また、拡散バリアがビアホールの開口後に析出される素子に直接適用可能である。図14(a)は、ビアホールが形成され、かつゲート電極が拡散バリア層に介在せずに析出された素子を示す。図14(b)は、ビアホールの形成後、拡散バリアポリマー7がゲート電極6の析出間に形成された同様の素子を示す。この場合において、拡散バリア層はビアホール抵抗Rvを最小にするために優れた電荷転送特性を呈することが必要である。最適な拡散バリアは図5(a)に示したようなTFBの薄層である。
【0107】
均一な低い接触抵抗が必要とされる場合、半導電性層がビアホールサイトでも除去される。これは拡散バリアが形成された後で実行されるのが好ましい。拡散バリア7と半導電性ポリマー4は、これらに対して優れた溶剤のインクジェットプリント(IJP)析出によって局部的に溶解され、本例においてはキシレンである。半導電性物質および絶縁物質のために優れた溶剤を混合することにより、両層は同時に溶解される。ゲート電極の析出に続いてこれが行われる素子を図14(c)に示す。
【0108】
溶剤の混合物は、溶解されるべき層上の溶剤混合物の接触角度を大きくすることによってビアホールの直径を小さくするのに使用することできる。
【0109】
ビアホールの内部接続の形成、従って、導電性物質を析出してブリッジする別の方法は、下部にある層基板を局部的に修正することができる物質を局部的に析出して、これらを導電性にするものである。一例として移動性ドーパントを含む溶液の局部的IJP析出を一つの層またはいくつかの層に拡散できる。これは図14(d)に示され、ここで領域32はドーパントで処理されることによって導電性にされた物質を含んでいる。このドーパントはN,N’−ジフェニール−N,N’−ビス(3−メチルジフェニル)−(1,1’ビフェニール)−4,4’−ジアミンのようなトリアリルアミン(TPD)のような小さい共役分子である。ドーパントは溶剤ケースとして加えられるのが好ましい。
【0110】
PVP誘電体層を介するビアホール形成の方法はTFTのゲート電極を、例えば図15に示したようなロジック・インバータ・素子のために必要とされるときに下部にある層内のソースまたはドレイン電極に接続するのに使用することができる。同様のビアホール接続はほとんどのロジック・トランジスタ回路に必要とされる。図16は図15(b)に示された二つの常時オフ・トランジスタ・素子で形成されたエンハスメント−ロード・インバータ・素子の特性をプロットしたものである。二つのトランジスタのためのチャネル幅に対するチャネル長さの比(W/L)の異なる比率を有する二つのインバータを示す(プロット35は3:1の比、プロット36は5:1である)。出力電圧は、入力電圧がロッジク・ロウからロッジク・ハイに変化すると、ロッジ・ハイ(−20V)からロッジク・ロウ(≒0V)状態まで変化する。インバータの利得、すなわち、特性の最大傾斜は1より大きく、これはリング・オッシレータのようなより複雑な回路の製造を許容するための必要条件である。
【0111】
上記に記述されるようなビアホールは、さらに、異なる層における内部接続ライン間に電気接続を設けるのに使用されることができる。複雑な電子回路のために、マルチレベル内部接続機構が必要とされている。これは、内部接続部72と、融和性溶媒から析出される異なる誘電層70、71とのシーケンスを配置することによって作られることができる(図15(d))。ビアホール73は、次に、自動エッチストップを備える内部接続ラインを用いて、上記に記述される方法で形成されることが可能である。
【0112】
適切な誘電物質の例は、PVPなどの極性ポリマー(70)や、ポリスチレンなどの無極性誘電ポリマー(71)である。これらは、極性溶媒および無極性溶媒から別の方法で析出されることが可能である。ビアホールは、基礎をなす誘電層がエッチストッピング層を備えている間、それぞれの誘電層のための良溶媒の局部析出によって開かれることが可能である。
【0113】
上記に記述されるタイプの素子のために物質および析出プロセスを選択する際に、各層が、直接に基礎をなす層を実質的に溶融しない溶媒から析出される場合、大きな利点が得られることが可能であることを心に留めておくべきである。この方法で、連続する層が、溶媒処理によって作られることが可能である。このような物質およびプロセスのステップの選択を簡素化する1つの方法は、上記に記述される層シーケンスのために例示されるように、極性溶媒および無極性溶媒から別の方法で2つ以上の層を析出しようと意図するものである。この方法において、溶性層、導電層、半導電性層、絶縁層などを含有する多層素子は、容易に形成されることが可能である。これにより、基礎をなす層の溶解および膨潤の問題を回避することが可能である。
【0114】
上記に記述される素子の構造、物質およびプロセスは、単なる例示である。それらは変更されてもよいことは明らかである。
【0115】
図1に示されるトップゲート構造と異なる他の素子の構造が使用されてもよい。別の構造は、図17に示されるよりスタンダードなボトムゲート構造であり、それには、必要とされる場合、拡散バリア7および表面変更層8を組み込むことも可能である。図17において、類似の部分は、図1と同じ符号である。異なる層が連続した構造を有する他の素子構造も使用されることができる。トランジスタ以外の素子も、類似の方法で形成されることができる。
【0116】
PEDOT/PSSは、溶媒から析出されることが可能なあらゆる導電性ポリマーに置き換えられることができる。例としてはポリアニリンやポリピロールが挙げられる。とはいえ、PEDOT/PSSのいくつかの魅力的な特徴は、(a)本質的な低拡散率を有する重合による不純物、(b)良好な温度安定および空気中における安定、および(c)効率のよい正孔電荷キャリアインジェクションを可能とするコモン正孔搬送導電性ポリマーのイオン化ポテンシャルに十分マッチされる5.1≒eVの仕事関数である。
【0117】
効率のよい電荷キャリアインジェクションは、特に、チャネル長さL<10μmを有するショートチャネルトランジスタ素子に極めて重要である。このような素子において、ソースドレイン接触抵抗効果は、小さなソースドレイン電圧のためのTFT電流を制限することがある(図10(b))。比較可能なチャネル長さの素子において、PEDOTソース/ドレイン電極からのインジェクションは、無機のゴールド電極からのインジェクションよりも一層効率のよいことが分かった。これは、半導電性のものに十分にマッチされるイオン化ポテンシャルを有する重合によるソース/ドレイン電極が、無機の電極物質より好ましいということを示している。
【0118】
水溶液(Baytron P)から析出されるPEDOT/PSSの導電率は、およそ0.1−1S/cmである。最大100S/cmの高い導電率は、溶媒の混合物(イソプロパノールとN−メチル−2−ピロリドン(NMP)とを含有するBayer CPP 105T)を含有する組成で得られることが可能である。後者の場合、組成の溶媒組み合わせが層シーケンスの溶解度必要条件と融和性があることに注意を払う必要がある。一様に高い導電率を必要とする適用には、液体中の金属無機粒子のコロイド状サスペンションなどの他の導電性ポリマー、あるいは、溶液でプロセスするのに適した導体が使用されることができる。
【0119】
ここに記述されるプロセスおよび素子は、溶液で処理したポリマーで作られる素子に制限されるものではない。回路、あるいは、ディスプレイ素子(下記を参照)におけるTFTおよび/または内部接続部の導電性電極のいくつかは、例えば、コロイド状サスペンションのプリンティングによって、あるいは、事前パターン形成した基板に電気メッキすることによって析出されることが可能な無機導体から形成されることができる。すべての層が、溶液から析出されない素子において、素子の1つ以上のPEDOT/PSS部分は、真空析出導体などの不溶性導電性物質と置き換えられることができる。
【0120】
半導伝層は、さらに、別の溶液で処理するのに適した半導電性物質に置き換えられることができる。可能性として、可溶化側鎖を有する小さな共役分子(J.G. Laquindanum, et al., J. Am. Chem. Soc. 120, 664(1998))、溶液から自己集合される半導電性有機−無機ハイブリッド物質(C.R. Kagan, et al., Sciencs 286, 946(1999))、あるいは、CdSeナノ粒子などの溶液で析出した無機半導体(B.A. Ridley, et al., Science 286, 746(1999))が例として挙げられる。
【0121】
電極は、インクジェットプリンティングと異なる他のテクニックによってパターン形成されることができる。適切なテクニックとして、ソフトリトグラフプリンティング(J.A. Rogers et al., Appl. Phys. Lett. 75, 1010(1999); S. Brittain et al., Physics World May 1998, p. 31)、スクリーンプリンティング(WO 99/10939参照)、あるいは、メッキ、あるいは、疎水性表面領域および親水性表面領域を有するパターン形成した基板の簡単なディップコーティングが挙げられる。インクジェットプリンティングは、特に、良抵抗でパターン形成する大きなエリアに、特に、フレキシブルなプラスチック基板に適していると考えられている。
【0122】
ガラスシートの代わりに、1つまたは複数の素子は、Perspexなどの別の基板物質に、あるいは、ポリエーテルスルホンなどのフレキシブルなプラスチック基板に析出されることができた。このような物質は、シート形状が好ましく、ポリマー物質であることが好ましく、そして、透明および/またはフレキシブルであるのがよい。
【0123】
素子および回路のすべての層およびコンポーネントは、溶液処理およびプリンティングテクニックによって析出され、かつ、パターン形成されることが好ましいが、半導電層などの1つ以上のコンポーネントは、さらに、真空析出テクニックによって析出、および/またはフォトリトグラフィックプロセスによってパターン形成されてもよい。
【0124】
上記に記述されるように作られるTFTなどの素子は、1つ以上のこのような素子が互いにおよび/または他の素子と一体化されることが可能な一層複雑な回路あるいは素子の一部分である。適用の例として、論理回路およびディスプレイあるいはメモリ素子のためのアクティブマトリックス回路構成、あるいは、ユーザー定義ゲートアレイ回路などが挙げられる。
【0125】
論理回路の基本コンポーネントは、図15に示されるインバータである。基板上のすべてのトランジスタが、空乏タイプか、あるいは、累積タイプかのいずれかである場合、3つの可能な構造が可能である。空乏負荷インバータ(図15(a))は、通常、(図1(c)および図3)である素子に適し、そして、エンハンスメント−負荷構造(図15(b))は、通常オフトランジスタ(図1(a/b)および図4)に使用される。2つの構造は、それぞれ、負荷トランジスタおよびそのソースのゲート電極とドレイン電極との間にビアホールを必要とする。別の構造は、抵抗負荷インバータ(図15(c))である。抵抗負荷インバータの素子は、負荷抵抗器のような適切な長さおよび導電率の薄くて、狭いPEDOTラインをプリンティングすることによって作られることが可能である。PEDOTの導電率を減少することによって、例えば、PEDOTに対するPSSの割合を増加することによって、抵抗器ラインの長さは最小にされることが可能である。0.4のPEDOT/(PEDOT+PSS)重量比を有するBaytron P PEDOT/PSSの導電率は、析出されたフィルムで、およそ0.2S/cmであると測定された。N2雰囲気下で20分間280℃にアニーリングすることによって、導電率は、2S/cmに増加した。/PSSで溶液を希釈することによって、導電率は、マグニチュードだけ減少されることができた。0.04のPEDOT/(PEDOT+/PSS)重量比では、10-3S/cmの導電率が、280℃でアニーリング後測定された。50MΩの抵抗を有する抵抗器は、およそ60μmの幅と500μmの長さとを有するPEDOTのラインをインクジェットプリンティングすることによって作られた。
【0126】
開発された異なるインクジェットプリンティングコンポーネント、すなわち、トランジスタ、ビアホール内部接続部、抵抗器、キャパシタ、マルチ層内部接続機構などは、直接プリンティングおよび溶液処理の組み合わせによって一体化した電子回路を作るために一体化されることが可能である。インクジェットプリンティングは、横方向パターン形成が必要とされるすべての処理ステップに使用されることが可能である。上記に記述される簡単なインバータ回路は、一層複雑な論理回路のための基礎単位である。
【0127】
上記に記述されるような溶液処理TFTsは、適切な回路が図18(a)に示されている液晶(LCD)ディスプレイ、あるいは、適切な回路が図18(b)に示されている電気泳動ディスプレイ(B. Comiskry et al., Nature 394, 253(1998))などのアクティブマトリックスディスプレイ;および、発光ダイオードディスプレイ(H. Sirringhaus, et al., Science 280, 1741(1998))のピクセルスイッチングトランジスタとして;あるいは、ランダムアクセスメモリ(RAM)などのメモリ素子のアクティブマトリックスアドレス指定エレメントとして使用されることができる。図18(a)および(b)では、トランジスタT1および/またはT2は、上記に記述されるようなトランジスタから形成されることができる。機能部40は、電流および電圧供給パッドを有するディスプレイ、あるいは、メモリエレメントを表わしている。
【0128】
LCD、あるいは、電気泳動ディスプレイの電極の電圧を制御するための可能な素子構造の例は、ゲート絶縁層を含み、当該ゲート絶縁層は、図1(a)におけるように、拡散バリアおよび/または表面変更層を含有するマルチ層構造を含んでいる。
【0129】
図18を参照すると、TFTのソースおよびゲート電極2、3は、アクティブマトリックスのデータライン44とアドレス指定ライン43とに接続され、それは、長さ全長にわたり適切な導電率を達成するために、異なる導電性物質から作られている。TFTのドレイン電極3は、さらに、ピクセル電極41でもよい。ピクセル電極は、図19におけるように異なる導電性物質から形成されることができる。電荷キャリアインジェクションよりはむしろ電界の応用にたよる素子において、この電極41が、液晶インクあるいは電気泳動インクなどの直接コンタクトディスプレイエレメント40にあることは必要とされない。この構造において、TFTおよび内部接続ラインによって占められるトータルピクセルエリアは、適切なアパーチャ比を達成して、ディスプレイエレメント40とデータおよびアドレス指定ライン43、44の信号との間のポテンシャルクロストークを減少するために、小さく保持される必要がある。
【0130】
より一層複雑な構造において、ピクセルエリアの全ピクセルあるいは大部分は、TFTおよび内部接続ラインのために使用可能であり、そして、ディスプレイエレメントは、ピクセル電極41によって、データライン44およびアドレス指定ライン43の信号からシールドされている。このような構造の作成は、ピクセル電極41をTFTドレイン電極3に接続するために、追加の誘電層と導電性物質が充填されるビアホールとを必要とする。ビアホールは、上記に記述されるプロシージャによって作られることが可能である。
【0131】
この構造において、アパーチャ比が、最大とされることが可能であり、かつ、100%アプローチすることができることに留意してください。この構造は、さらに、ここで作られるような全ポリマーTFTが、可視スペクトル範囲において大いに透過するので、伝えることができるLCDディスプレイなどのバックライトを有するディスプレイ適用に使用されることが可能である。例えば、F8T2ポリマーTFTでは、ポリマー連鎖が、高解像度プリンティング用の事前パターン形成層としても作用するポリイミドアラインメント層に摩擦された液晶性半導電性ポリマーを一軸に整列されているが、それは、F8T2の比較的高いバンドギャップのために、可視スペクトル範囲の大部分において大いに透過する。さらに良い透明性は、高いバンドギャップを有するF8、TFB、ポリフルオレン誘導体(米国第5,777,070号)などの半導電層が使用される場合、達成されることが可能である。ポリマー連鎖のアラインメントは、光学的異方性を生じさせ、そのために、アラインメント方向(“||”で標識付けされるプロット)に平行に偏光される光は、アラインメント方向(“⊥”で標識付けされるプロット)に直交して偏光される光よりも一層強く吸収される。光学的異方性は、さらに、ガラス製背面とバックライトとの間の偏光器に垂直なポリマー連鎖のアラインメント方向を方向付けることによって、TFTの光学的透明性を増加するために、LCDディスプレイに使用されることが可能である。偏光された光のもとで、トランジスタ素子は、F8T2の層の厚さが500Å以下である場合、可視光線においてほとんど無色である。PEDOTを含むTFTのすべての他の層は、可視スペクトル範囲において低い光学的吸収を有している。
【0132】
半導電層の光学的低吸収の別の利点は、可視光線に対する低下されたTFT特性の光電感度である。アモルファスシリコンTFTの場合、ブラックマトリックスは、光イルミネーションのもとで大きなオフ電流を防止するのに使用される必要がある。広いバンドギャップ半導体を有するポリマーTFTの場合、TFTを周囲光から、および、ディスプレイのバックライトから防止することを必要とされない。
【0133】
上述したようなさらなる誘電層およびビアホールを含む構造は、さらに、TFTのドライブ電流が、ピクセル電極41の真下の十分なエリアを使用する大きなチャネル幅Wを有するソースドレイン電極の互いに噛み合わされたアレイの作成によって、LEDディスプレイのドライブトランジスタT1(図18(b))に極めて適している。
【0134】
別の方法として、図17のボトムゲートTFT構造は、さらに、上記の適用のすべてに使用されることが可能である。
【0135】
アクティブマトリックス回路の作成のための重要なテクノロジカル論点の1つは、PEDOT/PSS TFTおよびピクセル電極2、3、6と、金属内部接続ライン43、44、41との間のコンタクトである。その強い酸性の性質のため、PEDOT/PSSは、アルミニウムなどの多数のコモン無機メタルと融和性がない。アルミニウムは、PEDOT/PSSと接触して容易に酸化される。1つの可能な解決法は、内部接続ラインおよびピクセル電極43、44、41をインジウム酸化スズ(ITO)、あるいは、タンタル、タングステン、および、他の耐火物メタル、あるいは、この環境あるいは適切なバリア層の使用において一層の安定性を有する他の物質から作成することである。
【0136】
ディスプレイ適用の場合、さらに、上記に記述されるように、事前パターン形成された基板へのプリンティングによって、細いチャネル長さを有するTFTを作ることが望ましい。
【0137】
アクティブマトリックストランジスタスイッチのための類似の素子の構造は、制御されるピクセルエレメントが、ディスプレイエレメントでなく、例えば、ダイナミックランダムアクセスメモリにおけるように、キャパシタあるいはダイオードなどのメモリエレメントである場合、使用されることも可能である。
【0138】
導電性電極に加えて、TFTのいくつかの他の層は、さらに、スクリーンプリンティングあるいはインクジェットプリント(IJP)などの直接プリンティング方法によってパターン形成されることができる。例えば、半導電層4およびゲート絶縁層5の活性層イランドが直接プリントされることができる素子を示している。この場合、ビアホールは必要とされないが、接続は、適切なゲート電極パターン6の直接プリンティングによって行われることが可能である。アドレス指定ライン43あるいは内部接続ライン44がオーバーラップするエリアにおいて、誘電ポリマーの薄いアイランドは、電気絶縁を設けるべく、プリントされることができる。
【0139】
上記に記述されるように形成される複数の素子は、1つの基板に形成されて、導電層によって内部接続されることができる。この素子は、シングルレベルか、あるいは、1つのレベル以上かで形成されることができ、いくつかの素子は、他のトップの上に形成される。特に上記に記述されるような内部接続ストリップおよびビアホールを使用して、コンパクト回路配置が、形成される。
【0140】
インクジェットプリントされたトランジスタ、ビアホールおよび内部接続ラインの作成のためにここに開発されたテクノロジは、インクジェットプリンティングによって、一体化された電子回路を作るのに使用されることができる。親水性表面領域および疎水性表面領域のアレイを含有する組み立て式基板が、トランジスタのチャネル長さおよび/または内部接続ラインの幅を画定するのに使用されることができる。その基板は、さらに、高導電性の金属性内部接続ラインのアレイを含有することができる。インクジェットプリンティングおよび溶液からの連続層の析出の組合せを使用して、トランジスタ素子のアレイは、カスタムロケーションにおいて、カスタムチャネル幅で画定される。一体化した回路は、次に、複数対のトランジスタと、ビアホールおよび導電ラインのインクジェットプリンティングを使用する適切な内部接続との間に電気接続を形成することによって、作られる。
【0141】
組み立てられた基板は、既にトランジスタ素子の1つ以上のコンポーネントを含有することができることも可能である。その基板は、例えば、それぞれが少なくとも1つの露呈した電極を有する完成した無機トランジスタ素子のアレイを含有することができる。この場合、一体化した回路のインクジェット作成は、複数対のトランジスタと、インクジェットプリントされたビアホール、内部接続ラインおよび分離パッドを使用するシングルレベル、または、マルチレベル内部接続機構の析出との間の電気接続の形成を備えている(図15(d)参照)。
【0142】
トランジスタ素子に加えて、電子回路は、さらに、ディスプレイ、メモリエレメント、容量性エレメント、抵抗性エレメントなどの別の活性回路エレメントと、パッシブ回路エレメントとを備えることができる。
【0143】
上記に記述されるテクニックを使用して、複数のトランジスタを有するユニットが形成され、次に、溶液利用処理によって、特定のその後の使用のために構成されることができる。例えば、ゲートアレイの形状で、図1(a)、(b)、あるいは、(c)に示されるタイプの複数のトランジスタを有する基板は、例えば、プラスチックシート上に形成されることができる。ダイオードあるいはキャパシタなどの別の素子は、さらに、シート上に形成されることができる。次に、そのシートは、ビアホールを形成するための適切な溶媒(例えば、メタノール)用のプリンティングヘッドと、導電トラックを形成し、そして、ビアホールを充填するための適切な物質(例えば、PEDOT)とを有するインクジェットプリンタ内に配置される。インクジェットプリンタは、シート上のトランジスタのロケーションと構造とを認識する適切にプログラムされたコンピュータの制御のもとに作動可能である。次に、ビアホール組成と内部接続ステップとの組み合わせによって、インクジェットプリンタは、所望の方法でトランジスタを内部接続することによって、所望の電子機能あるいは論理機能を実行する回路を構成することが可能である。このテクノロジは、その結果、小さくて、費用のかからない素子を使用して、基板上に論理特性回路を組成することを可能とする。
【0144】
このような回路の適用の例は、アクティブ電子チケット、旅行用携帯品および識別タグのプリンティングのためである。チケットあるいはタグプリンティング素子は、それぞれが複数のトランジスタを維持する基盤を備えている多数の構成されていないユニットを搭載されることができる。チケットプリンティング素子は、上記に記述されるようにインクジェットプリンタを制御することが可能で、そして、チケットの有効性機能を表示する電子回路を決定することが可能なコンピュータを含んでいる。チケットをプリントする必要があるとき、プリンティング素子は、ビアホールおよび/または導電性物質をプリントすることによって、適切な電子回路のための基板を構成し、そのために、基板上のトランジスタが、適切に構成される。その基板は、次に、例えば、接着性プラスチックシートで密閉することによって、カプセル封じされることが可能であり、電気接続ターミナルを露呈させる。チケットは次に分配される。チケットが、確認されると、インプットが、1つ以上のインプットターミナルに適応され、そして、1つ以上のアウトプットターミナルの回路のアウトプットが、その機能性を立証するべく監視される。チケットは、チケットしての使用に都合よくするために、フレキシブルなプラスチック基板上にプリントされることが好ましい。
【0145】
価格付けのため、あるいは、タグ付けのためより他のユーザー定義回路は、類似の方法で作られることができる。回路の立証および読み取りは、さらに、例えば、無線周波数放射を使用するリモートプロービングによって行われることができる(Physics World March 1999, page 31)。
【0146】
スタンダードアレイへの適切な接続の簡単なインクジェットプリンティングによって回路を画定するためのエンドユーザーの可能性は、工場でデザインされた回路と比較して、かなりの増加されたフレキシビリティを与えることである。
【0147】
本発明は、前述の例示に限定されるものではない。本発明の態様は、ここに記述される概念のすべての新規で、および/または発明力のある態様、または、ここに記述される特徴の発明力のある組み合わせを含んでいる。
【0148】
本発明が、上記に述べられるあらゆる定義の範囲に限定することなく、暗に、あるいは、明快に、あるいは、その総合のいずれかでここに開示されるすべての特徴、あるいは、特徴の組み合わせを含むことができるという事実に出願人は注意を引いている。前述の説明を鑑みて、様々な変更が本発明の範囲内で行われることができることは当業者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 溶液処理された全ポリマーTFTの異なる素子構成を示す。
【図2】 F8T2活性層、PVPゲート絶縁層、およびPEDOT/PSSゲート電極を有する図1cによるポリマーTFTの伝達特性を示す。
【図3】 室温(a)およびおよそ50℃で付着されたF8T2活性層、PVPゲート絶縁層、およびPEDOT/PSSゲート電極を有する図1cによるポリマーTFTの伝達特性を示す。
【図4】 図1(a)におけるようなF8拡散バリアおよびPVP表面修正層を含むF8T2の全ポリマーTFTの出力(a)および伝達特性(b)を示す。
【図5】 TFB(a)およびポリスチレン(b)の拡散バリヤおよびPVP表面修正層を有する図1(a)におけるようなF8T2の全ポリマーTFTの伝達特性を示す。
【図6】 露出されたガラス基板上に直接印刷されたF8T2活性層およびソース‐ドレイン電極を有する図1(a)による全ポリマーTFTの光学顕微鏡写真を示す。
【図7】 基板表面を疎水性領域および親水性領域へのパターン化による小さいチャネル長および小さい重複キャパシタンスを有するTFTの製造を示す。
【図8】 疎水性ポリイミドバンクの近くのPEDOT/PSSソース/ドレイン電極のIJP付着の後のL=20μm(a)およびL=5μm(b)を有するトランジスタのチャネル領域の光学顕微鏡写真を示す。
【図9】 ポリイミドバンクの近くのインクドロップレットの付着中撮影された光学顕微鏡写真を示す。
【図10】 図7(c)におけるように形成され、L=20μmおよび7μmのそれぞれを有するトランジスタの出力および伝達特性を示している。
【図11】 図7(c)におけるように形成され、L=20μmおよび7μmのそれぞれを有するトランジスタの出力および伝達特性を示している。
【図12−1】 インクドロップレットの直径によって決まるビアホールの外径および内径の連続付着によりビアホールを形成する工程の(a)Dektakプロフィール測定および(b)光学顕微鏡写真の概略図である。
【図12−2】 ビアホールの外径および内径とインクジェットの液滴の直径とPVP層の厚さの関係を示す図である。
【図13】 底部PEDOT電極および上部電極を有するビアホールを通る電流‐電圧特性を示す。
【図14】 ビアホールを製造する異なる工程を示す。
【図15】 ロジックインバータ(デプレッション負荷(a)、エンハンスメント負荷(b)および抵抗負荷(c)および多レベル内部接続方式(d)のようなビアホールの応用を示す。
【図16】 2つのトランジスタの異なるサイズW/Lの比を有する印刷された全ポリマーTFTで製造される図1(a)におけるようなエンハンスメント負荷インバータの特性を示す。
【図17】 他の底部ゲート素子構成を示す。
【図18】 ディスプレイあるいはメモリ素子が電圧(a)あるいは電流(b)によって制御されるアクティブマトリックスピクセルの概略図を示す。
【図19】 アクティブマトリックスのピクセルの可能な構成を示す。
【図20】 整列されたF8T2 TFTの偏光された光学吸収を示す。
【図21】 (a)半導電性層および絶縁層の印刷によって製造されるパターン化された活性層アイランドを有するポリマーTFTおよび印刷された絶縁アイランドによって分離された導電性内部接続部間の重複領域を示す。
【図22】 ユーザ規定の電子回路を製造するためにIJP内部接続部の網によって接続されるトランジスタ素子のマトリックスを示している。
[0001]
The present invention relates to solution processed devices and methods of forming such devices.
[0002]
Semiconducting shared polymer thin-film transistors (TFTs) have recently been developed for low-cost, logic (C. Dury, et. Al., APL73, 108 (1998)) and high-resolution active matrix display photoelectric integrated on plastic substrates The application of integrated circuits and pixel transistor switches (H. Sirringhaus, et al., Science 280, 1741 (1998), A. Dodabalapur, et al., Appl. Phys. Lett. 73, 142 (1998)) It came to be held. High performance TFTs have been demonstrated in test devices with polymer semiconductor and inorganic metal electrodes and a gate dielectric layer. The best 0.1cm that can match the performance of amorphous silicon TFT2/ Vs and 106-108The charge carrier mobility of the on-off current ratio was reached (H. Sirringhous, et al., Advance in Solid State Physics 39, 101 (1999)).
[0003]
A thin device characteristic film of a conjugated polymer semiconductor can be formed on a substrate by coating a polymer solution in an organic solvent. Therefore, this technique is ideally suited for solution processing that is inexpensive, has a wide area, and does not cause a chemical reaction to a flexible plastic substrate. In order to take full advantage of the potential costs and ease of processing, it is desirable that all components of the device, including the semiconductive layer, dielectric layer, and conductive electrodes and interconnects, be deposited from solution.
[0004]
In order to produce all-polymer TFT elements and circuits, the following major problems must be solved.
-Consistency of the multilayer structure: during solution application of the next semiconductive layer, insulating layer and / or conductive layer, the underlying layer is dissolved or dissolved by the solvent used for the deposition of the next layer Should not be inflated. If the solvent is incorporated into the underlying layer, expansion will generally occur that will cause degradation of the properties of that layer.
-High resolution patterning of electrodes: The conductor layer needs to be patterned to form TFT channels with well-defined internal connections and channel lengths L ≦ 10 μm.
In order to manufacture a TFT circuit, the vertical internal connection region (via hole) needs to be formed so as to electrically connect a plurality of electrodes in a plurality of layers of different elements.
[0005]
WO 99/10939 A2 demonstrates a method for producing an all-polymer TFT by converting a solution-treated layer into an insoluble state prior to depositing the next layer of the device. This solves the problem of dissolution and expansion of the underlying layer. However, this problem limits the choice of semiconductive materials that can be used to small and in some ways undesirable types of precursor polymers. Further, since the cross-linking of the dielectric gate insulating layer makes it difficult to manufacture a via hole penetrating the dielectric layer, a technique such as mechanical punching is used (WO 99/10939 A1).
[0006]
  According to one aspect of the present invention, a method is provided for forming an electronic device including a conductive material or a semiconductive material in a plurality of regions on a substrate, and the operation of the device is performed from a first region to a second region. And the method forms a mixture by mixing the material with a liquid, the first zone of the first region of the substrate and the second region of the second region of the substrate. Two zones, the first zone being repellent to the mixture which is larger than the second zone.liquidAnd forming a confinement structure on the substrate that includes a first zone and a third zone of the third region of the substrate separated from the second region by the first region, This first zone is repellent to this mixture which is larger than this third zone.liquidAnd depositing the material on the substrate by applying the mixture onto the substrate, whereby the deposited material is the first and second of the device. And the relative repellent properties of this first zone.liquidThis first region of the substrate is separated from the region that is electrically isolated in its plane by gender and resists current across the first zone between the separated regions of the deposited material. The relative repellency of this first zone so that there is noliquidCan be limited by gender.
[0007]
  In accordance with another aspect of the present invention, a method is provided for forming an electronic switching element on a substrate that includes a conductive material or semi-conductive material in a plurality of regions, the method mixing the material and a liquid. A first zone of the first region of the substrate and a second zone of the second region of the substrate, wherein the first zone is more than the second zone Large repellent to this mixtureliquidAnd forming a confinement structure on the substrate that includes a first zone and a third zone of the third region of the substrate separated from the second region by the first region, This first zone is repellent to this mixture which is larger than this third zone.liquidAnd depositing the material on the substrate by applying the mixture onto the substrate, whereby the deposited material is in the first and third zones. Relative repellentliquidIt can be restricted to this second zone by gender.
[0008]
The width of the first region between the second and third regions is suitably less than 20 μm, preferably less than 10 μm. The material formed in the isolated regions moderately forms the source and drain electrodes of the transistor.
[0009]
The method suitably includes depositing other materials in the space between the spaced regions. Other materials deposited in the spaces between the separation regions may form the transistor channel. The first material may be conductive and the other material may be semiconductive. This other material may be a polymer material. Other materials may be deposited from solution, a liquid solution that is not substantially water repellent by the first zone.
[0010]
The width of the second zone is reasonably less than 20 μm. The width of this second zone is reasonably less than 10 μm. The material deposited in the second zone is reasonably conductive. Such materials moderately form internal connections.
[0011]
The width of the overlapping region between the gate electrode of the transistor and each of the source and drain electrodes is preferably less than 20 μm.
[0012]
The width of the overlapping region between the gate electrode of the transistor and each of the source and drain electrodes is preferably smaller than 10 μm.
[0013]
The surface of the substrate may be provided by a self-assembled monolayer and at least one of the first and second zones may be defined by the patterning of the self-assembled monolayer.
[0014]
The step of patterning the self-assembled monolayer may be performed by exposure to light through a shadow mask.
[0015]
The step of patterning the self-assembled monolayer may be performed by contacting the substrate with a soft stamp.
[0016]
The first and second zones may be formed on the exposed surface of a layer deposited on the planar structural member.
[0017]
The contact angle of the mixture in the first region is reasonably greater than the contact angle of the mixture in the second region by 20 °, 40 ° or 80 °.
[0018]
A method according to any of the preceding claims, wherein the surface of the substrate is provided by a self-assembled monolayer and at least one of the first and second zones is defined by patterning of the self-assembled monolayer.
[0019]
The step of patterning the self-assembled monolayer is suitably performed by exposure to light through a shadow mask.
[0020]
The step of patterning the self-assembled monolayer is performed by contacting the substrate with a soft stamp.
[0021]
A method according to any of the preceding claims, wherein the surface of the substrate is provided by a nonpolar material and at least one of the first and second zones is defined by a surface treatment of a nonpolar polymer.
[0022]
This non-polar material may be polyimide.
[0023]
The method may include mechanically rubbing or otherwise surface treating the polyimide to facilitate polyimide molecular alignment.
[0024]
The method may include the step of optically treating the polyimide to promote molecular alignment of the polyimide.
[0025]
The surface treatment may be etching. The surface treatment may be a plasma treatment. This plasma is preferably a carbon tetrafluoride and / or oxygen plasma.
[0026]
This surface treatment may include exposure to ultraviolet light.
[0027]
Preferably one of the zones is a second zone.
[0028]
The first zone may induce or be capable of inducing a semiconductive material or an ordered molecular structure of the conductive material.
[0029]
The first zone most preferably can induce alignment of the polymer chain in the conducting polymer or semiconducting polymer.
[0030]
The first zone can reasonably induce alignment of a chain of polymeric material deposited over the first zone.
[0031]
The alignment is preferably in the direction extending between the second and third zones.
[0032]
Preferably, the chain is a chain of other materials.
[0033]
Preferably, the conductive polymer or semiconductive polymer is deposited by droplet deposition.
[0034]
Preferably, the conductive polymer or semiconductive polymer is deposited by ink jet printing.
[0035]
Preferably, at least one width of the zone is smaller than the droplet diameter formed by the ink jet printing step.
[0036]
Preferably, the boundary between the first and second zones is optically different and the method optically detects the boundary between the first and second zones and ink jet printing in response to this detection Positioning the element relative to the substrate.
[0037]
The first material may be a polymer, preferably a conjugated polymer. The first material may be an inorganic particulate material that can be suspended in a liquid.
[0038]
According to another aspect of the invention, there is provided a logic circuit, display element or memory element formed by the method of any of the preceding claims.
[0039]
According to another aspect of the invention, there is provided a logic circuit, display element or memory element comprising an active matrix array of a plurality of transistors formed by the method of any of the preceding claims.
[0040]
The present invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings.
[0041]
The preferred fabrication method shown here enables the fabrication of all organic solution treated thin film transistors in which no layer is converted or crosslinked to an insoluble form. Each layer of such an element may remain in a form that can be dissolved by the solvent in the solution from which the layer is deposited. As will be described in detail below, this facilitates the manufacture of via holes that penetrate the dielectric insulating layer by local deposition of solvent.
[0042]
Such an element may comprise, for example, one or more of the following components.
-Patterned conductive source-drain and gate electrodes and interconnects.
-0.01 cm2Semiconductive layer with charge carrier mobility greater than / Vs and 10FourGreater high on-off current switching ratio.
A thin gate insulating layer.
A diffusion barrier layer that protects the semiconducting and insulating layers from unintentional doping due to impurity and ion diffusion;
-A surface improvement layer that enables high resolution patterning of the gate electrode by printing technology.
A via hole for internal connection through the dielectric layer.
[0043]
However, it will be appreciated that the methods described herein are not limited to the fabrication of devices having all the features described above.
[0044]
The manufacture of the element of the first embodiment will be described with reference to FIG. The device of FIG. 1 is a thin film field effect transistor (TFT) configured to have a top gate structure.
[0045]
On a cleaned 7059 glass substrate 1 by inkjet printing an aqueous solution consisting of the conductive polymer polyethylene dioxythiophene / polystyrosulphonate (PEDOT (0.5 weight percent) / PSS (0.8 weight percent)). The source-drain electrodes 2, 3 and the internal connection lines between the electrodes and the contact pads (not shown) are deposited. Other solvents such as methanol, ethanol, isopropanol, or acetone may be added to affect the surface tension, viscosity, and wettability of the ink. PEDOT / PSS is commercially available from Bayer (available as "Baytron P"). Inkjet (IJP) printers are of the piezoelectric type. This is equipped with a precision two-dimensional conversion stage and a microscope stage, which makes it possible to align a plurality of subsequently printed patterns with each other. Inkjet print (IJP) heads are driven by voltage pulses. Suitable drive conditions for ejecting droplets with a typical solid content of 0.4 ng per drop are achieved with a pulse height of 20V, a rise time of 10 μs, and a fall time of 10 μs. After drying on a glass substrate, the droplets form PEDOT dots with a typical diameter of 50 μm and a typical thickness of 500 mm.
[0046]
Inkjet printing (IJP) of source-drain electrodes is performed in air. The sample is then transported into an inert atmosphere glove box system. The substrate is then spin dried in an organic solvent that is later used to deposit the active semiconductive layer, such as mixed xylene in the case of a polyfluorene polymer. The substrate is then annealed at 200 ° C. for 20 minutes in an inert nitrogen atmosphere to remove residual solvent and other volatile materials in the PEDOT / PSS electrode. Then, a thick film of the active semiconductive polymer 4 having a thickness of 200 to 1000 mm is deposited by spin coating. Various semiconducting polymers such as (regioregular) poly-3-hexylthiophene (P3HT), polyfluorene copolymers such as poly-9,9'-diotyl fluorene-co-dithiophene (F8T2) have been used. F8T2 is a preferred choice because it exhibits good stability during deposition of the gate electrode in air. Spin coat a 5-10 mg / ml solution of F8T2 in anhydrous mixed xylene (purchased from Romil) at 1500-2000 rpm. In the case of P3HT, a 1 weight percent solution in mixed xylene was used. The underlying PEDOT electrode does not dissolve in nonpolar organic solvents such as xylene. The film is then spin dried in a solvent, such as isopropanol or methanol, which is later used to deposit the gate insulating layer 5.
[0047]
A subsequent annealing step can be performed to improve the charge transfer characteristics of the semiconductive polymer. In order to obtain a polymer exhibiting a liquid crystal phase at a high temperature, the polymer chains can be oriented parallel to each other by annealing at a temperature higher than the liquid-crystal transition. In the case of F8T2, inert N at 275-285 ° C. for 5-20 minutes2Annealing is performed in an atmosphere. The sample is then rapidly quenched to room temperature to freeze the chain orientation and form amorphous glass. When preparing a sample on a flat glass substrate without an alignment layer, the polymer adopts a multi-domain structure in which several liquid-crystalline domains with random orientations are present in the TFT channel. A transistor element in which F8T2 is prepared in a glass state by quenching from a liquid-crystal layer is about 5 · 10.-3cm2The mobility of / Vs is shown. This value is greater than or equal to the mobility when measured with an element including an F8T2 film in a spinning state. The as-deposited device also has a higher turn-on voltage V0Indicates. This is because the density of local electron trap states of the glass phase is lower than that of the partially precipitated phase that is crystallized.
[0048]
When the polymer is prepared in a single domain state in which the polymer chains are uniaxially aligned parallel to the transistor channel, typically 3-5 times more improved mobility can be obtained. This can be achieved by coating the glass substrate with a suitable alignment layer, such as a mechanically rubbed polyimide layer (reference numeral 9 in FIG. 1 (b)). In the single domain state, the polymer chains are aligned uniaxially parallel to the rubbing direction of the underlying polyimide layer. This further improves charge carrier mobility in devices where the TFT channel is parallel to the chain alignment direction. Such a process is described in more detail in our pending UK patent application 9914489.1.
[0049]
Gate insulation by depositing a semiconductive layer and then spin-coating a solution of polyhydroxystyrene (also called polyvinylphenol (PVP)) from a polar solvent that does not dissolve the underlying semiconductive polymer Layer 5 is deposited. A preferred choice of solvent is an alcohol such as methanol, 2-propanol or butanol, in which the solubility of a nonpolar polymer such as F8T2 is exceptionally low and does not swell. The thickness of the gate insulating layer is between 300 nm (solution concentration is 30 mg / ml) and 1.3 μm (solution concentration is 100 mg / ml). Other insulating polymers and solvents that meet solubility requirements such as poly-vinyl alcohol (PVA) in water, poly-methyl-methacrylate (PMMA) in butyl acetate, or propylene glycol methyl ether acetate may be used.
[0050]
Next, the gate electrode 6 is deposited on the gate insulating layer. The gate electrode layer may be deposited directly on the gate insulating layer (see FIG. 1 (c)), or for process reasons such as surface modification, diffusion barrier or solvent compatibility, 1 Two or more intermediate layers may be interposed (see FIGS. 1 (a) and (b)).
[0051]
The PEDOT / PSS gate 6 may be printed directly on the PVP insulating layer 5 in order to form a simpler device as shown in FIG. The substrate is transported in air to an inkjet printing (IJP) station, where again a PEDOT / PSS gate electrode pattern is printed from the working solution. The underlying PVP gate insulating layer has low solubility in water so that the dielectric integrity is protected during printing of the PEDOT / PSS gate electrode. PVP has a high density of polar hydroxyl groups, but its solubility in water is low because it has a skeleton similar to ultra-nonpolar polystyrene. Similarly, PMMA does not dissolve in water. FIG. 2 shows the transfer characteristics of an inkjet printed (IJP) TFT comprising an F8T2 semiconductive layer, a PVP gate insulating layer, and inkjet printed (IJP) PEDOT / PSS source-drain and gate electrodes. Element characteristics are measured in a nitrogen atmosphere. Each series of measurements is indicated by a rising (upward triangle) and falling (downward triangle) gate voltage, respectively. The properties relate to devices made from freshly prepared batches of PEDOT / PSS (Baytron P) (a) and one year old batches (b). The transistor activity is clearly visible, but the device has a positive threshold voltage V0It was found that the comparative device produced with the deposited gold source-drain and gate electrodes showed a normally off behavior while exhibiting a unique normally on behavior with> 10V (V0<0). In devices made from “old” batches of PEDOT (see FIG. 2 (b)), a large hysteresis effect was observed, due to the high concentration of mobile ionic impurities (see below). ) Large depletion state (Vg= + 40V), when the sweep starts, the transistorf 0≒ + 20V (upward triangle) turns on. However, in reverse scan (downward triangle), the transistor is Vr 0> +35 only off.
[0052]
Normally on behavior and hysteresis effects are likely to occur due to diffusion of ionic material into one of the layers of the device. V0An unusually large positive value of indicates that the ion is negative. A positive material compensates for some of the mobile charge in the storage layer and V0Is expected to lead to more negative values. In order to determine the origin of this ionic material, the top-gate inkjet printing (IJP) PEDOT electrode was replaced with a deposited gold electrode, and the other layers and PEDOT source / drain electrodes were fabricated as described above. In this structure, it was found that the device is normally off and exhibits a stable threshold voltage. This means that doping and hysteresis effects in all-polymer devices are mobile and ionic impurities from solution deposition of the conductive polymer top gate electrode and from the device PEDOT solution / film to the underlying layers. Is related to the possible diffusion of.
[0053]
It has been found that by depositing a gate electrode on a heated substrate, the threshold voltage value can be controlled and the amount of hysteresis can be reduced. This shortens the drying time of the droplets on the substrate. FIG. 3B shows the transfer characteristics of the TFT element in which the substrate is heated to 50 ° C. during the deposition of the gate electrode. The hysteresis effect is very small compared to the case of gate deposition at room temperature (FIG. 3b).0Is a relatively small positive value of 6V. By controlling the deposition temperature, the threshold voltage is set to V0= 1 to 20V can be adjusted.
[0054]
A device including a gate electrode directly deposited on a PVP layer as shown in FIG. 1C is a depletion type. This normally-on behavior is useful for a depletion type logic circuit such as a simple depletion load logic inverter (FIG. 14A).
[0055]
In order to produce an enhancement-type normally-off TFT, the incorporation of a diffusion barrier layer can prevent doping of the semiconductive material during gate deposition. In the device of FIGS. 1 (a) and (b), a thin layer 7 of nonpolar polymer is deposited on the PVP gate insulating layer before depositing the conductive polymer gate electrode. This layer is believed to act as a diffusion barrier that prevents diffusion of ionic materials through the mesopolar PVP insulator. PVP contains high density polar hydroxyl groups that tend to increase the conductivity and diffusivity of ions through the membrane. Several such as poly-9,9'-dioctylfluorene (F8), polystyrene (PS), poly (9,9'-dioctyl-fluorene-co-N- (4-butylphenyl) diphenylamine) (TBF) or F8T2 A nonpolar polymer was used. Thin films of these polymers of about 50-100 nm can be deposited on the surface of the PVP gate insulation layer from solutions in non-polar organic solvents such as xylene in which PVP does not dissolve.
[0056]
Direct printing of PEDOT / PSS from a polar solution in water onto a nonpolar barrier layer or onto an intermediate polar polymer such as PMMA proved problematic due to insufficient wettability and large contact angle . In order to cope with this, the surface modification layer 8 is deposited on the nonpolar polymer. Since this layer forms a hydrophilic surface rather than a hydrophobic surface, PEDOT / PSS is likely to be formed thereon. Thereby, the gate electrode pattern can be printed with high resolution. To form the surface modified layer, a thin layer of PVP may be deposited from an aqueous isopropanol solution. The underlying diffusion barrier layer does not dissolve in this aqueous solution. The thickness of the PVP layer is preferably 50 nm. PEDOT / PSS can be printed at high resolution on the surface of PVP. Another surface modification layer may be employed. Examples include soap-like surfactants or thin layers of polymers containing hydrophilic and hydrophobic functional groups. These molecules tend to be attracted towards the underlying nonpolar polymer and free surface interface, respectively, to phase separate into hydrophobic and hydrophilic groups. In addition, non-polar diffusion barrier2It is also possible to make the surface hydrophilic by exposing it to plasma for a short time. Proper plasma processing without compromising TFT device performance is a 13.5 MHz O with 50 W intensity.2Exposure to plasma for 12 seconds.
[0057]
If the gate electrode is printed from a solvent less polar than water, such as an alcohol-containing formulation (isopropanol, methanol, etc.), a surface modification layer over the nonpolar diffusion barrier is not necessary.
[0058]
The integrity of the layer sequence relies on alternating deposition of polymer material from polar and non-polar solvents. The solubility of the first layer in the solvent used to deposit the second layer is desirably less than 0.1 weight percent per volume, and preferably less than 0.01 weight percent per volume.
[0059]
Solvent compatibility criteria can be quantified using the Hildebrand solubility parameter, which can quantify the degree of polarity (D.W. van Krevelen, Properties of polymers, Elsevier, Amsterdam (1990)). The solubility behavior of each polymer (solvent) is determined by three characteristic parameters δd, Δp, ΔhDescribed by. These parameters characterize dispersion interactions, polarity, and hydrogen bonding interactions between liquid polymer (solvent) molecules. The values of these parameters can be calculated if the molecular structure is known by adding contributions from different functional groups of the polymer. These can be tabulated by the most common polymers. Often δpAnd δdΔy in combination2= Δd 2+ Δp 2It can be.
[0060]
The free energy of mixing is ΔGm= ΔHm-T ・ ΔSmObtained by. In this equation, ΔSm> 0 is the entropy of mixing and ΔHm= V · φp · φs · ((δv p−δv s)2+ (Δh p−δh s)2(V: volume; φp, φs: volume fraction of polymer (P) / solvent (S) in the mixture). From this equation, the polymer (P) becomes ΔHmIs smaller, that is, D = ((δv p−δv s)2+ (Δh p−δh s)2)1/2It is expected that the smaller the is, the easier it is to dissolve in the solvent (S). As a rough guide, if the interaction parameter D is less than about 5, the polymer dissolves in the solvent. If D is between 5 and 10, swelling is often observed. If D is greater than 10, the polymer does not substantially dissolve in the solvent and does not swell. In order to obtain a sufficiently steep interface in a solution processed TFT element, it is therefore desirable that the solvent value D of each polymer layer and the next layer is greater than about 10. This is particularly important in semiconductive polymers and gate dielectric solvents. In the case of F8T2 and isopropanol (butyl acetate), we estimate D to be about 16 (12).
[0061]
For some device configurations, the overall multilayer structure consists of a polymer that contains mainly polar groups and dissolves in highly polar solvents such as water, and that contains little or no polar groups, such as xylene. It can be constituted by alternately superposing the polymer dissolved in the nonpolar solvent one after another. In this case, δ of the solvent of the polymer layer and the next layerpAre different, the interaction parameter D becomes large. Examples include PEDOT / PSS high-polarity source-drain electrodes, nonpolar semiconducting layers such as F8T2, high-polarity gate dielectric layers such as polyvinyl alcohol deposited from aqueous solutions, and deposition of a series of layers. Examples include a transistor element including a nonpolar dispersion barrier layer of TFB that also functions as a barrier layer, and a PEDOT / PSS gate electrode.
[0062]
However, it is often convenient to have a nonpolar semiconductive layer and a polar gate electrode layer separated by a single dielectric layer. This series of layers is also possible by using an intermediate polar polymer layer deposited from an intermediate polar solvent sandwiched between highly polar and non-polar polymer layers. An intermediate polar polymer is a polymer that contains both polar and non-polar groups and is substantially insoluble in highly polar solvents. Analogously to this, mesopolar solvents contain both polar and nonpolar groups, but are substantially soluble in nonpolar polymers. From the point of view of solubility parameters, the medium polar solvent has a solubility parameter δhCan be defined as significantly different from the value of the underlying polymer. In this case, even if the solvent polar solubility parameter δpv) Is similar to the value of the underlying polymer layer, swelling can be avoided (large D). A mesopolar polymer may contain certain functional groups, such as hydroxyl groups, which render the mesopolar polymer soluble in solvents containing functional groups that are attracted to the polymer functional groups. Such an attraction action may be a hydrogen bond interaction. Such a function of the polymer can be used to increase its solubility in intermediate polar solvents and lower its solubility in polar solvents. An example of an intermediate polar polymer is a PVP gate dielectric layer sandwiched between a nonpolar semiconductive layer and a PEDOT / PSS gate electrode (FIG. 1c). Examples of intermediate polar solvents include alkyl alcohols such as IPA (δh= 8; F8T2: δh≒ 0).
[0063]
FIG. 4 shows the output (a) of a fully polymerized F8T2 inkjet printing (IJP) TFT comprising a PVP gate insulating layer, an F8 diffusion barrier layer, and a PVP surface modification layer as shown in FIG. 1 (a). And transmission (b) characteristics are shown (L = 50 μm). Element is V0A clean and almost ideal normal off-transistor operation with a turn-on of ≦ 0V. The threshold voltage shift between upward (upward triangle) and downward (downward triangle) voltage sweep is ≦ 1V. The device characteristics are very similar to a standard device with gold source-drain and gate electrodes and manufactured under inert atmosphere conditions. Field effect mobility is about 0.005 to 0.01 cm2/ Vs, VgThe on-off current ratio measured between = 0 and −60V is about 10Four-10FiveIt is an order.
[0064]
The device was fabricated with a wide range of non-polar dispersion barrier layers such as F8, TFB (FIG. 5 (a) is transfer characteristic), PS (FIG. 5 (b) is transfer specific), and F8T2. In each case, clean normal off behavior, small hysteresis effects and threshold voltage shifts were observed. These were almost the same as the values of the comparative element provided with the gold source-drain electrodes. This supports the interpretation that insertion of a non-polar polymer under the gate electrode prevents ionic impurities from diffusing during and after solution deposition of the gate insulating layer. With this discovery, we were able to obtain a TFT threshold voltage with good reproducibility and good operational stability.
[0065]
A normally-off device with a diffusion barrier is preferred over the depletion device described above. This is because the former can be expected to have a longer threshold voltage stability and a longer lifetime.
[0066]
For semiconductive layers, 10-3cm2/ Vs, preferably 10-2cm2Any solution can be used as long as it can process conjugated polymer or oligomeric materials exhibiting appropriate field effect mobility above / Vs. For suitable materials see, for example, H.E. Katz, J. Mater. Chem. 7, 369 (1997) or Z. Bao, Advanced Materials 12, 227 (2000).
[0067]
One important requirement for producing printed TFTs with good stability and high on-off current ratio is against unintentional doping with oxygen in the air and water during the processing and printing process. Good stability of the semiconductive material is mentioned. Printed TFTs have been manufactured using the full range of semiconductive polymers such as F8T2 (see above) or regioregular P3HT deposited from mixed xylene solutions as the active semiconductive layer. 0.05 to 0.1 cm for P3HT TFTs prepared in a test element structure in an inert atmosphere2The field effect mobility of / Vs is slightly higher than that of F8T2. However, (regioregular) P3HT is unstable to doping with oxygen and / or water, resulting in increased membrane conductivity and poor on-off current ratio during the printing process in air. This means that the ionization potential of P3HT is IpThis is related to the relatively low value of ≈4.9 eV. > 10 for P3HT6In order to achieve this, a reduction de-doping process such as exposure to hydrazine vapor is required to achieve this (H. Sirringhaus, et al., Advances in Solid State Physics). 39, 101 (1999)). However, this post-reduction processing step cannot be performed for the inkjet printing (IJP) TFTs described above, because doing so would also de-doped the PEDOT electrodes, thus significantly reducing their conductivity. . Therefore, in order to achieve a high current switching ratio, it is important to use a polymer semiconductor with good stability against unintentional doping with oxygen or water.
[0068]
A preferred type of material to achieve good environmental stability and high mobility is an AB rigid rod block copolymer containing A and B blocks arranged in a normal sequence. Suitable A blocks are ladders with high band gaps that are well defined structurally. They have an ionization potential greater than 5.5 eV as a homopolymer and good environmental stability. Examples of suitable A blocks include fluorene derivatives (US Pat. No. 5,777,070), indenofluorene derivatives (S. Setayesh, Macromolecules 33, 2016 (2000)), phenylene or ladder type phenylene derivatives (J. Grimme et al ., Adv. Mat. 7, 292 (1995)). Suitable B-locks include hole transports with lower band gaps, containing different atoms such as sulfur or nitrogen, and having an ionization potential of less than 5.5 eV as a homopolymer. Examples of the hole transfer B block include thiophene derivatives or triallylamine derivatives. The effect of the B block is to reduce the ionization potential of the block copolymer. The ionization potential of the block copolymer is preferably 4.9 eV ≦ IpThe range is 5.5 eV. Examples of such copolymers include F8T2 (ionization potential is 5.5 eV) or TFT (US Pat. No. 5,777,070).
[0069]
Other suitable hole transfer polymers include homopolymers of polythiophene derivatives with an ionization potential greater than 5 eV, such as polythiophenes with alkoxy or fluorinated side chains (R.D. McCullough, Advanced Materials 10, 93 (1998)).
[0070]
Instead of hole transfer semiconductive polymers, soluble electron transfer materials can also be used. These materials require a high electron affinity greater than 3 eV, preferably greater than 3.5 eV, to prevent residual atmospheric impurities such as oxygen from acting as carrier traps. Suitable materials include solution solution processable electron transfer small molecule semiconductors (HE Katz, et al., Nature 404, 478 (200)) and polythiophene derivatives having electron-depleted fluorinated side chains. A structurally well-defined ladder A block with a large high ionization potential greater than 5,5 eV and an electron transfer B block that increases the electron affinity of the copolymer to a value greater than 3 eV, preferably greater than 3.5 eV Also suitable are AB type block copolymers having: Examples of A blocks include fluorene derivatives (US 5,777,070), indenofluorene derivatives (S. Setayesh, Macromolecules 33, 2016 (2000)), phenylene or ladder type phenylene derivatives (J. Grimme et al., Adv. Mat). 7, 292 (1995)). Examples of electron transfer B blocks include benzothiadiazole derivatives (US 5,777,070), phenylene derivatives, naphthalene tetracarboxyldiimide derivatives (HE Kats et al., Nature 404, 478 (2000)), and fluorinated thiophene derivatives. It is done.
[0071]
In order for the logic circuit to operate at high speed, the channel length L of the transistor, the overlap between the source / drain and the gate d should be as small as possible, i.e. typically a few μm. The most important dimension is L. This is because the operating speed of the transistor circuit is L-2This is because it is almost proportional to. This is particularly important for semiconductive layers with relatively low mobility.
[0072]
Such high resolution patterning cannot be achieved with current inkjet printing technology. The current inkjet printing technology is limited to a characteristic dimension of 10 to 20 μm even with the latest inkjet printing (IJP) technology (FIG. 6). If faster operation and denser feature packing are required, techniques that allow for more precise feature resolution must be employed. The technology described below uses ink surface interaction to confine ink jet droplets on the substrate surface. This technique can be utilized to achieve channel lengths that are much smaller than those achievable with conventional inkjet printing.
[0073]
This confinement technique can be utilized to allow the material deposited on the substrate to be deposited with precise resolution. The surface of the substrate is first treated so that the material deposited in the selected portion is relatively attracted and relatively repelled. For example, a region in which the substrate is pre-patterned may be partially hydrophobic, and the other regions may be partially hydrophilic. Subsequent deposition can be accurately defined by a pre-patterning step performed with high resolution and / or precise alignment.
[0074]
One embodiment of pre-patterning is shown in FIG. FIG. 7 shows the manufacture of the element of the type shown in FIG. 1 (c), but the channel length L is particularly precise. The same components as those in FIG. 1C have the same reference numbers. FIG. 7A shows a method for manufacturing a pre-patterned substrate. FIG. 7 (b) shows printing and ink confinement on a pre-patterned substrate.
[0075]
Before depositing the source-drain electrodes 2, 3, a thin film polyimide layer 10 is formed on the handle sheet 1. This polyimide layer is finally patterned and removed from where the source-drain electrodes are to be formed. This removal step can be performed by a photolithography step to allow precise feature definition and / or precise alignment. As an example of such a process, polyimide is covered with a layer of photoresist 11. By patterning the photoresist by photolithography, the photoresist can be removed from the location where the polyimide is to be removed. Next, the polyimide is removed by a process in which the photoresist is resistant. Then, by accurately removing the photoresist, it is possible to leave a precisely patterned polyimide. The reason for choosing polyimide is that while it is relatively hydrophobic, the glass substrate is relatively hydrophilic. In the next step, a PEDOT material for forming source-drain electrodes is deposited on the hydrophilic substrate region 12 by ink jet printing. When the ink droplet spreads on the glass substrate region and hits the hydrophobic polyimide region 10, the ink is repelled and is prevented from flowing into the hydrophobic surface region.
[0076]
Due to this confinement effect, the ink is deposited only on the hydrophilic surface region, and a high resolution pattern with a small gap and a transistor channel length of less than 10 μm can be defined (FIG. 7B).
[0077]
An example of a process that can remove the polyimide or that can be employed to increase the specific surface effect after removal of the polyimide is shown in FIG. The polyimide layer 10 and the photoresist 11 are exposed to oxygen plasma. Oxygen plasma etches the thin film (500 mm) polyimide layer faster than the thick film (1.5 μm) photoresist layer. The exposed bare glass surface 12 in the source-drain electrode region is exposed to O before removing the photoresist.2It becomes very hydrophilic when exposed to plasma. It should be noted that during polyimide removal, the polyimide surface is protected by photoresist and remains hydrophobic.
[0078]
If necessary, the surface of the polyimide can be further CFFourHydrophobicity can be further increased by exposure to plasma. CFFourThe plasma fluorinates the polyimide surface but does not interact with the hydrophilic positive glass substrate. Such further plasma treatment can be performed before removing the photoresist, in which case only the sidewalls of the polyimide pattern 10 are fluorinated. Alternatively, it can be performed after removing the resist.
[0079]
O2The contact angle of PEDOT / PSS in water on 7059 glass treated with plasma is the contact angle on the polyimide surface is θpt≒ 70-80 ° compared to θglass= 20 °. The contact angle of PEDOT / PSS in water on fluorinated polyimide is 120 °.
[0080]
As mentioned above, when PEDOT / PSS is deposited from an aqueous solution onto a pre-patterned polyimide layer, the PEDOT / PSS ink will remain in the source-drain electrode region even if the channel length L is only a few μm. It is confined (FIG. 7 (b)).
[0081]
In order to easily confine the ink droplet, the kinetic energy of the ink droplet is kept as small as possible. The larger the droplet size, the greater the kinetic energy and the greater the likelihood that the expanding droplet will “neglect” the hydrophobic confinement structure and overflow to the adjacent hydrophilic region.
[0082]
Preferably, the ink droplet 13 is deposited on the hydrophilic substrate region 12 at a distance d between the center of the droplet and the polyimide boundary. On the other hand, d is sufficiently small, and the spreading ink must reach the boundary so that the PEDOT film extends over the entire area to the polyimide boundary. On the other hand, d must be large enough so that rapidly spreading ink does not “overflow” into the hydrophobic surface area. This increases the risk of PEDOT being deposited on the polyimide region 10 defining the TFT channel and may cause a short circuit between the source and drain electrodes. PEDOT droplets with a solid content of 0.4 ng2It has been found that a value of d≈30-40 μm is suitable when depositing on a plasma-treated 7059 glass with a lateral pitch between two successive droplets of 12.5 μm. The minimum value of d depends on the wettability on the surface as well as the deposition pitch, ie the lateral distance between the subsequently deposited droplets, the frequency with which the droplets are deposited, and the drying time of the solution.
[0083]
A hydrophobic confinement layer for defining the transistor channel length may provide a second function. This layer can be used as an alignment template for later deposition of the semiconductive polymer in the channel of the transistor. The polyimide layer 10 can be mechanically rubbed or photo-aligned and then used as an alignment layer to provide a single domain alignment of the liquid-crystalline semiconductive polymer 4 (FIG. 1 (b)).
[0084]
The gate electrode 6 can be similarly defined by a patterning layer 14 formed on the gate insulating layer 5 that provides a surface region that attracts and repels the solution from which the gate electrode is deposited. By aligning the patterned layer 6 with respect to the source-drain pattern, the overlapping region between the source / drain and gate electrodes can be minimized (FIG. 7 (c)).
[0085]
Materials other than polyimide can be used as a pre-patterned layer. Other precision pre-patterning techniques other than photolithography can also be used. FIG. 8 demonstrates the ability of the structure of relatively hydrophobic and hydrophilic layers to limit the liquid “ink” deposited by inkjet printing. FIG. 8 shows an optical micrograph of a substrate containing a polyimide 10 flake, the flake being processed as described above to be relatively hydrophobic, and a large area of the exposed glass substrate 12 being relatively hydrophilic. Is processed as described above. The PEDOT material that becomes the source and drain electrodes is deposited by ink jet printing consisting of a series of droplet running lines 2 and 3 approaching the flake 10. The ink jet material shows a weak contrast, but appears to be an unexpectedly terminated form of the deposited material end faces 2 and 3, and this deposited material is limited by the flakes 10 even when dug down to a flake thickness L = 5 μm.
[0086]
FIG. 9 is a photograph of the inkjet deposition process in the vicinity of the polyimide flakes 10. This video was taken with a strobe camera attached below the transparent substrate. The edges of the polyimide pattern 10 can be seen as white lines. The ink droplet 21 is ejected from the nozzles of the ink jet head 20 and is deposited at its center at a distance d from the polyimide flake 10. Such images can be used for accurate local alignment of ink jet deposition with respect to the flake pattern 10, and are used to automate the local alignment procedure using pattern recognition (see below).
[0087]
FIGS. 10 and 11 show the output and transfer characteristics formed as shown in FIG. 7c and have channel lengths L of 20 μm and 7 μm, respectively, defined by the differential wetting process described above. . In any case, the channel width W is 3 mm. FIG. 10A shows the output characteristics of a 20 μm element. FIG. 10B shows output characteristics of the 7 μm element. FIG. 11A shows the transfer characteristics of a 20 μm element. FIG. 11B shows the transfer characteristics of the 7 μm element. The 7 μm device exhibits characteristic short channel operation with reduced source and drain output and limited output conductance in saturation. The short channel / element mobility and the ON-OFF current ratio are similar to those of the long channel / element described above. That is, μ = 0.005-0.01 cm2/ Vs and ION/ IOFF= 10Four-10FiveIt is.
[0088]
Ink limitations are the result of differences in wetting characteristics on hydrophobic and hydrophilic surfaces, and do not require the presence of microstructured features. In the above example, the polyimide film can be made very thin (500 mm), which is much thinner (a few micrometers) than the size of the inkjet droplets in liquid form. Thus, another technique for fabricating a pre-pattern of the substrate can be used to functionalize the surface of the glass substrate with a patterned self-assembled monolayer (SAM). For example, SAM contains a hydrophobic alkyl such as trifluoropropyl-trimethoxylen or a fluoro group or an alkoxy group. SAMs can be exposed to UV light through shadow masks (H. Sugiura et al., Langmuir 2000, 885 (2000)) or microcontact printing (Brittain et al., Physics World May 1998, p. 31). It can be patterned by appropriate techniques.
[0089]
Substrate pre-patterning can be easily shared with the process flow described above, such as pre-patterning performed prior to TFT layer deposition. Accordingly, a wide range of patterning and printing techniques can be used and high resolution pre-patterns can be generated without the risk of degradation of the active polymer layer.
[0090]
Similar techniques can be applied to pre-pattern the surface or surface modification layer of the gate insulating layer prior to deposition of the gate electrode to achieve a small overlap capacitance. As shown in FIG. 7C, the gate electrode 6 is defined by the pattern layer 14. One possible embodiment of this type of pre-patterning method is a self-assembled monolayer (SAM) microcontact printing method or UV photopatterning method containing chlorosilanes or methoxy silanes such as octadecyltrichlorosilane. is there. These molecules are SiO which chemically bond with the hydroxyl groups on the extreme surface and make it surface hydrophobic.2Alternatively, a stable monomolecular layer is formed on the surface of the glass substrate. The inventors have found that similar monolayers can be formed on the surface of a gate dielectric monomolecule (polymer) such as PVP or PMMA. This appears to be due to the binding of molecules to hydroxyl groups on the PVP surface. A surface free energy pattern consisting of thin hydrophilic lines with a well-defined small overlap by a source-drain electrode surrounded by a SAM coated hydrophobic region is easily defined by a soft lithographic stamp process. This stamping process can be performed under an optical microscope or mask aligner to match the stamp pattern with respect to the underlying source-drain electrodes. When the conductive aqueous polymer ink is deposited on top, the deposition is limited to thin hydrophilic lines defined by the self-assembled monolayer. In this way, a thinner line width can be achieved than can be achieved with a normal line width on the unpatterned gate electrode layer. This reduces the source / drain-to-gate overlap capacitance.
[0091]
With the help of a pre-patterned substrate, high speed logic circuits based on the TFT and the described via hole manufacturing process can be manufactured.
[0092]
One of the decisive conditions for manufacturing transistor circuits over a large area is deposition alignment and alignment with respect to the pattern on the substrate. Achieving proper alignment is particularly difficult for flexible substrates that exhibit distortion over a large area. If the substrate is distorted between successive patterning steps, the next mask level during the photolithography process no longer overlaps with the underlying pattern. The high resolution inkjet printed circuit boards developed here are suitable for achieving precise alignment over a large area even on plastic (plastic) substrates. This is because the position of the inkjet head can be locally adjusted with respect to the pattern on the substrate (FIG. 9). This local alignment process is possible automatically using a pattern recognition technique that uses an image such as the pattern of the technique of FIG. 9 to correct the position of the inkjet head in combination with a feedback mechanism.
[0093]
In order to form a multi-transistor integrated circuit using devices of the type described above, it is desirable to form via holes and be directly interconnected through the thickness of the device. This is because this type of circuit is particularly compact. One method for forming such an internal connection is to use a solvent-formed via hole as described below. This method has the practical advantage that the above-described TFT solvent-treated layer is not converted to an insoluble form at all. This allows the opening of via holes due to local deposition of solvent.
[0094]
In order to form a solvent-formed via hole (FIG. 12 (a)), a certain amount of a suitable solvent 29 is locally deposited on the top of the layer, where a via hole is formed. A solvent that can dissolve the lower layer in which holes are formed is selected. Until the via hole is formed, the solvent penetrates the layer by progressive dissolution. Dissolved material is deposited on the sidewall W of the via hole. The type of solvent and the method for depositing it are selected according to the particular application. However, four preferred aspects are:
1. Solvent and processing conditions are that the solvent is evaporated or otherwise easily removed so that it does not interfere with subsequent processing and does not dissolve the element transiently or incorrectly. ;
2. The solvent is deposited by a selected process such as IJP so that a precisely controlled amount of solvent can be applied exactly where desired on the substrate; and
3. The diameter of the via hole is affected by the surface tension of the solvent droplets and the ability of the solvent to wet the substrate; and
4). The solvent does not dissolve the lower layer where the electrical connection is made.
[0095]
FIG. 12 (a) shows the deposition of a methanol solvent (including 20 ng per droplet) droplet 29 on a partially formed transistor device of the general type shown in FIG. 1 (c). The partial device of FIG. 12A includes a 1.3 μm thick PVP insulating layer 28, F8T2 semiconductive layer 27, PEDOT electrode layer 26 and glass substrate 25. In this example, it is desirable to form a via hole that penetrates the insulating PVP layer. Methanol is selected as a solvent because of its ability to readily dissolve PVP, i.e., it easily evaporates so as not to interfere with subsequent processing steps, and also has satisfactory wetting properties for PVP. In order to form a via hole in this example, an inkjet (IJP) print head is moved to a position on the substrate where the via hole is to be formed. Accordingly, the required number of appropriately sized methanol droplets are dropped from an inkjet (IJP) printhead until the via hole is completed. The period between successive droplets is selected to match the ratio at which methanol dissolves the layers of the device. Each droplet is preferably completely or almost completely evaporated before the next droplet is deposited. Care must be taken that when the via hole reaches the underlying nonpolar semiconductive layer, the etching process is stopped and the underlying layer is not removed. Other solvents such as isopropanol, ethanol, butanol or acton can also be used. In order to achieve high throughput, it is desirable to complete the via hole by deposition of a single solvent droplet. For a 300 nm thick film and a droplet having a volume of 30 pl and a diameter of 50 μm, this requires a solubility of the layer in a solvent higher than 1-2% by weight per volume. A higher boiling point is even more desirable when it is necessary to form via holes with a single droplet. In the case of PVP, 1,2 dimethyl-2-imidazolidione (DMI) having a boiling point of 225 ° C. can be used.
[0096]
FIG. 12 (b) shows the effect of dropping several drops of methanol in sequence at the position of the via hole. The right panel shows a photomicrograph of the device after dropping 1, 3 and 10 droplets. The left panel shows the Dectak surface profile measurement result of the same element across the formed via hole. (The position of the via hole is generally indicated by the position “V” in each panel.) When several drops are dropped continuously at the same position, the crater is opened in the PVP film. The crater depth increased with the action of successive droplets, and after about 6 droplets, the surface of the underlying F8T2 layer was turned. The dissolved PVP material was deposited in the wall W at the side of the via hole. The diameter of the via hole is about 50 μm limited by the size of the droplet. This size is suitable for many applications such as logic circuits and large area displays.
[0097]
The diameter of the via hole is determined by the size of the inkjet solvent droplet. The hole diameter was observed to be directly proportional to the droplet diameter (see FIG. 12c). The outer diameter of the side wall is determined by the size and diffusion of the first droplet and is independent of the thickness of the dissolved polymer layer. For applications where smaller holes are required, such as high resolution displays, even when smaller droplet sizes are used, or even if the substrate surface is pre-patterned by appropriate techniques, Drops can be restricted. Other solvents can also be used.
[0098]
From the surface profile measurement results, it can be seen that the formation of the via hole dissolves the substance and moves it to the edge of the via hole, and the hole remains after the solvent is evaporated (indicated by W in FIG. 12B). It should be noted that the transferred material has a smoother shape than that shown in FIG. 12 (b), and the x- and y-axis of the surface morphology is a different scale plot of FIG. 12 (b). (X is in μm units and y is in Å units).
[0099]
The mechanism of via hole formation, i.e. the movement of the material to the side walls, is thought to be similar to the well-known coffee stain effect that occurs when the contact line of a dry droplet containing solute is pinned. It is done. The pinning action occurs, for example, due to surface roughness or chemical heterogeneity. It should be noted that good solvent deposition always generates surface roughness during dissolution. As the solvent evaporates, it occurs because the capillary flow is replaced by solvent evaporation near the contact line. More solvent evaporates near the contact line due to the larger surface to bulk ratio near the contact line. The capillary flow rate is large compared to the typical diffusion rate, e.g. the solute is transported to the edge of the droplet, and solute deposition occurs only near the rim and not at the center of the dry droplet (RD Deegan et al., Nature 389, 827 (1997)). Solute diffusion tends to result in a preferred uniform reprecipitation of the polymer over the entire area when the solvent dries rather than the formation of sidewalls. Theoretically predictable is the capillary flow velocity V (r) (r: is the distance from the center; R: the radius of the droplet) is (R−r)-proportional to λ, where λ = (π−2θc) / (2π-2θc). Therefore, when V increases with increasing λ, the contact angle θcBecomes smaller. Therefore, the earlier the amount of precipitation at the edge, the smaller the contact angle.
[0100]
Therefore, for the opening of the via hole, what is important is that (a) the contact line of the initial droplet is pinned and (b) the contact angle of the droplet on the top of the polymer to be dissolved is sufficiently small And (c) solvent evaporation is fast enough that polymer solute diffusion is negligible. In the case of IPA on PVP, the contact angle is on the order of 12 °, and the droplets typically dry within less than 1 s.
[0101]
The smaller the contact angle, the faster the capillary flow velocity inside the droplet. That is, the formation of the side wall becomes more certain. However, on the other hand, the smaller the contact angle, the larger the droplet diameter. Thus, there is an optimum contact angle to achieve a small diameter via hole with well-defined sidewalls. In order to achieve a larger contact angle with a good solvent, the surface of the substrate is treated, for example, with a self-assembled monolayer with a greater repulsion of the solvent. This self-assembled monolayer is patterned to provide, for example, hydrophobic and hydrophilic surface regions, so that solvent precipitation is limited to small areas.
[0102]
The depth of the via hole and the etching rate can be adjusted by a combination of the number of droplets of solvent dropped, the frequency with which the droplets are deposited, and the rate of evaporation of the solvent compared to the rate that is the ability to dissolve the substrate. it can. The environment in which precipitation occurs and the temperature of the substrate affect the evaporation rate. A layer of material that is insoluble or slowly soluble in the solvent can be used to limit the depth of dissolution.
[0103]
Since the TFT layer sequence is composed of alternating polar and nonpolar layers, it is possible to select a solvent and a combination of solvents to stop etching at a definite depth.
[0104]
In order to perform contact through the via hole, a conductive layer is deposited thereon, thereby extending into the via hole and making electrical connection with the material below the via hole. FIG. 13A shows an element of the type shown in FIG. 12A, which includes the step of forming the gold electrode 25 after the formation of the via hole described above.
[0105]
FIG. 13 shows current / voltage characteristics measured between the lower PEDOT electrode 25 and the conductive electrode 29 deposited on the top of the PVP gate insulating layer 28 in a curve 30. The diameter of the via hole was 50 μm. For comparison, curve 31 shows a standard sample in which no via hole is located in the overlap region between the top electrode and the bottom electrode. The characteristic clearly shows that the current passing through the via hole is several times higher than the leakage current passing through the gate insulating portion where no via hole exists. The measurement current passing through the via hole is limited by the conductivity of the PEDOT electrode, and can be known by performing the conductivity measurement of the individual PEDOT electrodes. The resistance value R of the via hole is not limited by the resistance value of the via hole.vA low limit estimate can be obtained from these measurements. That is, Rv<500 kΩ.
[0106]
The method for forming a via hole described above with reference to FIG. 12 is for a depletion layer type device (as shown in FIG. 1C) without a diffusion barrier, and for a device in which a diffusion barrier is deposited after opening a via hole. Directly applicable to FIG. 14A shows an element in which a via hole is formed and the gate electrode is deposited without being interposed in the diffusion barrier layer. FIG. 14B shows a similar element in which the diffusion barrier polymer 7 is formed during the deposition of the gate electrode 6 after the formation of the via hole. In this case, the diffusion barrier layer has a via hole resistance RvIt is necessary to exhibit excellent charge transfer characteristics in order to minimize. The optimum diffusion barrier is a thin layer of TFB as shown in FIG.
[0107]
If uniform low contact resistance is required, the semiconductive layer is also removed at the via hole site. This is preferably done after the diffusion barrier is formed. The diffusion barrier 7 and the semiconductive polymer 4 are locally dissolved by an excellent ink-jet print (IJP) deposition of the solvent, and in this example is xylene. By mixing an excellent solvent for the semiconductive material and the insulating material, both layers are dissolved simultaneously. An element in which this is performed following the deposition of the gate electrode is shown in FIG.
[0108]
The solvent mixture can be used to reduce the diameter of the via hole by increasing the contact angle of the solvent mixture on the layer to be dissolved.
[0109]
Another way to form via-hole interconnects, and thus deposit and bridge conductive materials, is to deposit materials that can locally modify the underlying layer substrate and make them conductive. It is to make. As an example, local IJP deposition of a solution containing a mobile dopant can be diffused into one layer or several layers. This is shown in FIG. 14 (d), where region 32 contains material that has been rendered conductive by treatment with a dopant. This dopant is a small conjugate such as triallylamine (TPD) such as N, N′-diphenyl-N, N′-bis (3-methyldiphenyl)-(1,1′biphenyl) -4,4′-diamine. Is a molecule. The dopant is preferably added as a solvent case.
[0110]
Via hole formation via a PVP dielectric layer allows the TFT gate electrode to be connected to the source or drain electrode in the underlying layer when needed for a logic inverter device, for example as shown in FIG. Can be used to connect. Similar via-hole connections are required for most logic transistor circuits. FIG. 16 is a plot of the characteristics of the enhancement-load inverter element formed by the two normally-off transistor elements shown in FIG. Shown are two inverters having different ratios of channel length to channel length (W / L) for two transistors (plot 35 is a 3: 1 ratio, plot 36 is 5: 1). When the input voltage changes from logic low to logic high, the output voltage changes from the logic high (−20V) to the logic low (≈0V) state. The inverter gain, i.e. the maximum slope of the characteristic, is greater than 1, which is a requirement to allow the production of more complex circuits such as ring oscillators.
[0111]
Via holes as described above can also be used to provide electrical connections between internal connection lines in different layers. For complex electronic circuits, multi-level interconnects are needed. This can be made by placing a sequence of internal connections 72 and different dielectric layers 70, 71 deposited from a compatible solvent (FIG. 15 (d)). The via hole 73 can then be formed in the manner described above using an internal connection line with automatic etch stop.
[0112]
Examples of suitable dielectric materials are polar polymers (70) such as PVP and nonpolar dielectric polymers (71) such as polystyrene. These can be precipitated in different ways from polar and nonpolar solvents. Via holes can be opened by local deposition of a good solvent for each dielectric layer while the underlying dielectric layer comprises an etch stop layer.
[0113]
In selecting materials and deposition processes for devices of the type described above, significant advantages can be obtained if each layer is deposited from a solvent that does not substantially melt the underlying layer directly. You should keep in mind that it is possible. In this way, successive layers can be made by solvent treatment. One way to simplify the selection of such materials and process steps is to use two or more different methods from polar and non-polar solvents, as exemplified for the layer sequences described above. It is intended to deposit a layer. In this method, a multilayer element containing a soluble layer, a conductive layer, a semiconductive layer, an insulating layer, etc. can be easily formed. This makes it possible to avoid the problem of dissolution and swelling of the underlying layer.
[0114]
The device structures, materials and processes described above are merely exemplary. It is clear that they may be changed.
[0115]
Other device structures different from the top gate structure shown in FIG. 1 may be used. Another structure is the more standard bottom gate structure shown in FIG. 17, which may incorporate a diffusion barrier 7 and a surface modification layer 8 if required. In FIG. 17, the same reference numerals are the same as those in FIG. Other device structures in which different layers have a continuous structure can also be used. Elements other than transistors can be formed in a similar manner.
[0116]
PEDOT / PSS can be replaced by any conductive polymer that can be deposited from the solvent. Examples include polyaniline and polypyrrole. Nonetheless, some attractive features of PEDOT / PSS are: (a) impurities due to polymerization with inherently low diffusivity, (b) good temperature stability and stability in air, and (c) efficiency. The work function of 5.1≈eV is well matched to the ionization potential of a common hole transporting conductive polymer that allows good hole charge carrier injection.
[0117]
Efficient charge carrier injection is particularly important for short channel transistor devices having a channel length L <10 μm. In such an element, the source-drain contact resistance effect may limit the TFT current for a small source-drain voltage (FIG. 10 (b)). In devices with comparable channel lengths, injection from PEDOT source / drain electrodes was found to be more efficient than injection from inorganic gold electrodes. This indicates that a polymerized source / drain electrode having an ionization potential that is well matched to the semiconducting one is preferred over an inorganic electrode material.
[0118]
The conductivity of PEDOT / PSS deposited from an aqueous solution (Baytron P) is approximately 0.1-1 S / cm. High conductivity up to 100 S / cm can be obtained with a composition containing a mixture of solvents (Bayer CPP 105T containing isopropanol and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)). In the latter case, care must be taken that the solvent combination of the composition is compatible with the solubility requirements of the layer sequence. For applications requiring uniformly high conductivity, other conductive polymers such as colloidal suspensions of metal inorganic particles in liquids or conductors suitable for processing in solution can be used. .
[0119]
The processes and devices described herein are not limited to devices made of polymer treated with a solution. Some of the conductive electrodes of the TFT and / or interconnects in a circuit or display element (see below) can be, for example, by printing a colloidal suspension or by electroplating a pre-patterned substrate It can be formed from inorganic conductors that can be deposited. In devices where all layers are not deposited from solution, one or more PEDOT / PSS portions of the device can be replaced with insoluble conductive materials such as vacuum deposited conductors.
[0120]
The semiconductive layer can be further replaced with a semiconductive material suitable for processing with another solution. Possible small conjugated molecules with solubilizing side chains (JG Laquindanum, et al., J. Am. Chem. Soc. 120, 664 (1998)), semiconductive organic-inorganic hybrids self-assembled from solution Examples include materials (CR Kagan, et al., Sciencs 286, 946 (1999)) or inorganic semiconductors (BA Ridley, et al., Science 286, 746 (1999)) deposited in solutions such as CdSe nanoparticles. Can be mentioned.
[0121]
The electrodes can be patterned by other techniques different from inkjet printing. Appropriate techniques include soft lithographic printing (JA Rogers et al., Appl. Phys. Lett. 75, 1010 (1999); S. Brittain et al., Physics World May 1998, p. 31), screen printing (WO 99 / 10939) or plating, or simple dip coating of a patterned substrate having a hydrophobic surface area and a hydrophilic surface area. Ink jet printing is considered to be particularly suitable for large areas where patterns are formed with good resistance, especially for flexible plastic substrates.
[0122]
Instead of a glass sheet, one or more elements could be deposited on another substrate material such as Perspex or on a flexible plastic substrate such as polyethersulfone. Such materials are preferably sheet-shaped, preferably polymeric materials, and should be transparent and / or flexible.
[0123]
All layers and components of the element and circuit are preferably deposited and patterned by solution processing and printing techniques, while one or more components such as semiconductive layers are further deposited by vacuum deposition techniques. And / or may be patterned by a photolithographic process.
[0124]
An element such as a TFT made as described above is a more complex circuit or part of an element in which one or more such elements can be integrated with each other and / or other elements. . Examples of applications include logic circuits and active matrix circuit configurations for displays or memory elements, or user-defined gate array circuits.
[0125]
The basic component of the logic circuit is an inverter shown in FIG. If all the transistors on the substrate are either depletion type or accumulation type, three possible structures are possible. The depletion load inverter (FIG. 15 (a)) is usually suitable for devices that are (FIG. 1 (c) and FIG. 3), and the enhancement-load structure (FIG. 15 (b)) is usually an off-transistor (FIG. 15). 1 (a / b) and FIG. 4). The two structures each require a via hole between the load transistor and its source gate and drain electrodes. Another structure is a resistive load inverter (FIG. 15C). Resistive load inverter elements can be made by printing thin, narrow PEDOT lines of appropriate length and conductivity, such as load resistors. By reducing the conductivity of the PEDOT, for example, by increasing the ratio of PSS to PEDOT, the length of the resistor line can be minimized. The conductivity of Baytron P PEDOT / PSS having a PEDOT / (PEDOT + PSS) weight ratio of 0.4 was measured to be approximately 0.2 S / cm in the deposited film. N2By annealing at 280 ° C. for 20 minutes under atmosphere, the conductivity increased to 2 S / cm. By diluting the solution with / PSS, the conductivity could be reduced by magnitude. For a PEDOT / (PEDOT + / PSS) weight ratio of 0.04, 10-3The S / cm conductivity was measured after annealing at 280 ° C. A resistor with a resistance of 50 MΩ was made by inkjet printing a line of PEDOT having a width of approximately 60 μm and a length of 500 μm.
[0126]
Different inkjet printing components developed, i.e. transistors, via-hole interconnects, resistors, capacitors, multi-layer interconnects, etc. are integrated to create an integrated electronic circuit by a combination of direct printing and solution processing. Is possible. Inkjet printing can be used for all processing steps where lateral patterning is required. The simple inverter circuit described above is the basic unit for more complex logic circuits.
[0127]
Solution-treated TFTs as described above can be used in a liquid crystal (LCD) display with the appropriate circuit shown in FIG. 18 (a), or electrophoresis with the appropriate circuit shown in FIG. 18 (b). Active matrix displays such as displays (B. Comiskry et al., Nature 394, 253 (1998)); and as pixel switching transistors in light-emitting diode displays (H. Sirringhaus, et al., Science 280, 1741 (1998)) Or it can be used as an active matrix addressing element of a memory element such as a random access memory (RAM). In FIGS. 18 (a) and (b), the transistors T1 and / or T2 can be formed from transistors as described above. The functional unit 40 represents a display or memory element having current and voltage supply pads.
[0128]
  Examples of possible device structures for controlling the voltage of the electrodes of an LCD or electrophoretic display are:Including a gate insulating layer,The gate insulating layer includes a multi-layer structure containing a diffusion barrier and / or a surface modifying layer, as in FIG.
[0129]
Referring to FIG. 18, the TFT source and gate electrodes 2, 3 are connected to active matrix data lines 44 and addressing lines 43, which are different to achieve proper conductivity over the entire length. Made of conductive material. The drain electrode 3 of the TFT may further be a pixel electrode 41. The pixel electrodes can be formed from different conductive materials as in FIG. In elements that rely on the application of electric fields rather than charge carrier injection, it is not necessary for this electrode 41 to be in a direct contact display element 40 such as liquid crystal ink or electrophoretic ink. In this structure, the total pixel area occupied by the TFT and interconnect lines achieves an appropriate aperture ratio and reduces potential crosstalk between the display element 40 and the data and addressing lines 43, 44 signals. Therefore, it needs to be kept small.
[0130]
  ThanMore complexIn the structureAll or most of the pixel area can be used for TFT and interconnect lines, and the display elements are shielded from the data line 44 and addressing line 43 signals by the pixel electrode 41. thislikeThe creation of the structure involves adding an additional dielectric to connect the pixel electrode 41 to the TFT drain electrode 3.Layer andConductive materialQualityRequires via holes to be filled. Via holes can be created by the procedure described above.
[0131]
  Note that in this structure, the aperture ratio can be maximized and approached 100%. This structure can also be used for display applications with backlights such as LCD displays that can communicate because all polymer TFTs as made here are highly transparent in the visible spectral range.For example,F8T2 polymer TFAt TThe polymer chain is uniaxially aligned with a liquid crystalline semiconductive polymer rubbed to a polyimide alignment layer that also acts as a pre-patterned layer for high resolution printingBut itIs highly transparent in the majority of the visible spectral range due to the relatively high bandgap of F8T2.TheEven better transparency can be achieved when semiconductive layers such as F8, TFB, polyfluorene derivatives (US Pat. No. 5,777,070) with high band gap are used. The alignment of the polymer chains gives rise to optical anisotropy, so that light polarized parallel to the alignment direction (plot labeled with “||”) is labeled with the alignment direction (“⊥”). Are absorbed more strongly than light polarized perpendicular to the plot. Optical anisotropy is further applied to LCD displays to increase the optical transparency of the TFT by directing the alignment direction of the polymer chain perpendicular to the polarizer between the glass back and the backlight. Can be used. Under polarized light, the transistor element is almost colorless in visible light when the F8T2 layer thickness is 500 mm or less. All other layers of TFTs including PEDOT have low optical absorption in the visible spectral range.
[0132]
Another advantage of the optically low absorption of the semiconductive layer is the reduced TFT characteristic photoelectric sensitivity to visible light. In the case of amorphous silicon TFTs, the black matrix needs to be used to prevent large off-currents under optical illumination. In the case of polymer TFTs with wide band gap semiconductors, it is not necessary to prevent the TFTs from ambient light and from the backlight of the display.
[0133]
  Includes additional dielectric layers and via holes as described aboveThe structure further provides for the drive transistor T1 of the LED display by creating an interdigitated array of source and drain electrodes having a large channel width W where the TFT drive current uses a sufficient area directly below the pixel electrode 41 (FIG. 18 (b)).
[0134]
  Alternatively, the bottom gate TFT structure of FIG. 17 can also be used for all of the above applications.The
[0135]
One important technological issue for the creation of active matrix circuits is the contact between the PEDOT / PSS TFT and pixel electrodes 2, 3, 6 and the metal interconnect lines 43, 44, 41. Due to its strong acidic nature, PEDOT / PSS is not compatible with many common inorganic metals such as aluminum. Aluminum is easily oxidized in contact with PEDOT / PSS. One possible solution is to connect the interconnect lines and pixel electrodes 43, 44, 41 to indium tin oxide (ITO), or tantalum, tungsten, and other refractory metals, or to this environment or appropriate barrier layer. Made from other materials that have even greater stability in use.
[0136]
  For display applications, as further described above, ThingsIt is desirable to make a TFT with a narrow channel length by printing on a pre-patterned substrate.
[0137]
A similar device structure for an active matrix transistor switch is used when the pixel element to be controlled is not a display element but a memory element such as a capacitor or a diode, as in, for example, a dynamic random access memory. It is also possible.
[0138]
  In addition to the conductive electrode, some other layers of TFTs can be further patterned by direct printing methods such as screen printing or inkjet printing (IJP).For exampleThe active layer of the semiconductive layer 4 and the gate insulating layer 5 can be directly printed. In this case, via holes are not required, but the connection can be made by direct printing of a suitable gate electrode pattern 6. In areas where addressing lines 43 or internal connection lines 44 overlap, dielectric polymerThin islands can be printed to provide electrical insulationThe
[0139]
A plurality of elements formed as described above can be formed on one substrate and interconnected by a conductive layer. The device can be formed at a single level or at more than one level, with some devices formed on top of the other. In particular, a compact circuit arrangement is formed using interconnect strips and via holes as described above.
[0140]
The technology developed here for the creation of inkjet printed transistors, via holes and interconnect lines can be used to create integrated electronic circuits by inkjet printing. A fabricated substrate containing an array of hydrophilic and hydrophobic surface regions can be used to define the channel length of the transistor and / or the width of the interconnect lines. The substrate can further contain an array of highly conductive metallic interconnect lines. Using a combination of inkjet printing and continuous layer deposition from solution, the array of transistor elements is defined with custom channel widths at custom locations. An integrated circuit is then created by making electrical connections between multiple pairs of transistors and appropriate internal connections using via holes and conductive line inkjet printing.
[0141]
It is also possible that the assembled substrate can already contain one or more components of the transistor element. The substrate can contain, for example, a completed array of inorganic transistor elements, each having at least one exposed electrode. In this case, the integrated circuit inkjet creation is the electrical connection between multiple pairs of transistors and single-level or multi-level interconnect deposition using inkjet printed via holes, interconnect lines and isolation pads. A connection is formed (see FIG. 15D).
[0142]
In addition to the transistor element, the electronic circuit can further comprise another active circuit element such as a display, a memory element, a capacitive element, a resistive element, and a passive circuit element.
[0143]
  Using the techniques described above, a unit having a plurality of transistors can be formed and then configured for a particular subsequent use by solution-based processing. For example, in the shape of a gate array, a plurality of transistors of the type shown in FIGS. 1A, 1B, or 1C are used.TThe substrate having, for example, can be formed on a plastic sheetTheAnother element, such as a diode or a capacitor, can further be formed on the sheet. Next, the sheetLeA printing head for a suitable solvent (eg, methanol) to form, and a conductive trap.TheForm and place in an inkjet printer with a suitable material (eg, PEDOT) to fill the via hole. Inkjet printers can operate under the control of a suitably programmed computer that recognizes the location and structure of the transistors on the sheet. Next, by combining the via hole composition and the internal connection step, the ink jet printer can configure a circuit that performs a desired electronic function or logic function by internally connecting transistors in a desired manner. This technology, as a result, makes it possible to compose a logic circuit on a substrate using small, inexpensive elements.
[0144]
  An example of the application of such a circuit is for the printing of active electronic tickets, travel goods and identification tags. A ticket or tag printing element can be mounted with a number of unconfigured units, each with a base that maintains a plurality of transistors. The ticket printing element includes a computer capable of controlling the ink jet printer as described above and capable of determining an electronic circuit that displays the validity function of the ticket. When a ticket needs to be printed, the printing element configures the substrate for the appropriate electronic circuit by printing via holes and / or conductive materials, so that the transistors on the substrate are properly configured Is done. The substrate can then be encapsulated, for example by sealing with an adhesive plastic sheet, and the electrical connection terminator.LeExpose. Tickets are then distributed. When a ticket is confirmed, the input is applied to one or more input terminals, and the output of the circuit of the one or more output terminals is monitored to verify its functionality. The ticket is preferably printed on a flexible plastic substrate for convenient use as a ticket.
[0145]
Other user-defined circuits for pricing or for tagging can be made in a similar manner. The verification and reading of the circuit can also be performed, for example, by remote probing using radio frequency radiation (Physics World March 1999, page 31).
[0146]
The end user's possibility to define the circuit by simple inkjet printing with the appropriate connection to the standard array is to provide significantly increased flexibility compared to the factory designed circuit.
[0147]
The present invention is not limited to the above-described examples. Aspects of the invention include all novel and / or inventive aspects of the concepts described herein, or inventive combinations of the features described herein.
[0148]
This invention includes all features or combinations of features disclosed herein, either implicitly, clearly, or in their entirety, without being limited to the scope of any of the definitions set forth above. Applicants are drawing attention to the fact that they can. In view of the foregoing description it will be evident to a person skilled in the art that various modifications may be made within the scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows different device configurations of solution-treated all-polymer TFTs.
FIG. 2 shows the transfer characteristics of the polymer TFT according to FIG. 1c with F8T2 active layer, PVP gate insulating layer, and PEDOT / PSS gate electrode.
FIG. 3 shows the transfer characteristics of the polymer TFT according to FIG. 1c with F8T2 active layer, PVP gate insulating layer, and PEDOT / PSS gate electrode deposited at room temperature (a) and approximately 50 ° C.
FIG. 4 shows the output (a) and transfer characteristics (b) of an F8T2 all-polymer TFT including an F8 diffusion barrier and a PVP surface modification layer as in FIG. 1 (a).
FIG. 5 shows the transfer characteristics of an F8T2 all-polymer TFT as in FIG. 1 (a) with TFB (a) and polystyrene (b) diffusion barriers and PVP surface modification layers.
FIG. 6 shows an optical micrograph of an all-polymer TFT according to FIG. 1 (a) with F8T2 active layer and source-drain electrodes printed directly on an exposed glass substrate.
FIG. 7 shows the fabrication of a TFT with small channel length and small overlapping capacitance by patterning the substrate surface into hydrophobic and hydrophilic regions.
FIG. 8 shows an optical micrograph of the channel region of a transistor with L = 20 μm (a) and L = 5 μm (b) after IJP deposition of a PEDOT / PSS source / drain electrode near a hydrophobic polyimide bank.
FIG. 9 shows an optical micrograph taken during the deposition of ink droplets near a polyimide bank.
FIG. 10 shows the output and transfer characteristics of a transistor formed as in FIG. 7C and having L = 20 μm and 7 μm, respectively.
FIG. 11 shows the output and transfer characteristics of a transistor formed as in FIG. 7C and having L = 20 μm and 7 μm, respectively.
FIGS. 12A and 12B are schematic diagrams of (a) Dektak profile measurement and (b) optical micrographs of a process of forming a via hole by continuous adhesion of the outer diameter and inner diameter of the via hole determined by the diameter of the ink droplet.
FIG. 12-2 is a diagram showing the relationship between the outer diameter and inner diameter of a via hole, the diameter of an inkjet droplet, and the thickness of a PVP layer.
FIG. 13 shows current-voltage characteristics through a via hole having a bottom PEDOT electrode and a top electrode.
FIG. 14 shows different processes for manufacturing via holes.
FIG. 15 illustrates the application of via holes such as logic inverters (depletion load (a), enhancement load (b) and resistance load (c) and multi-level interconnect (d).
FIG. 16 shows the characteristics of an enhancement load inverter as in FIG. 1 (a) manufactured with printed all-polymer TFTs with two transistor different size W / L ratios.
FIG. 17 illustrates another bottom gate device configuration.
FIG. 18 shows a schematic diagram of an active matrix pixel in which the display or memory element is controlled by voltage (a) or current (b).
FIG. 19 illustrates a possible configuration of active matrix pixels.
FIG. 20 shows the polarized optical absorption of aligned F8T2 TFTs.
FIG. 21 (a) Overlapping regions between polymer TFTs with patterned active layer islands produced by printing semi-conductive layers and insulating layers and conductive interconnects separated by printed insulating islands. Indicates.
FIG. 22 shows a matrix of transistor elements connected by a network of IJP internal connections to produce a user defined electronic circuit.

Claims (47)

トランジスタのソース電極およびドレイン電極を基板上に形成する方法であって、前記方法が、
電極材料を液体と混合することによって混合物を形成し、
前記基板の第1の領域の第1のゾーンと、前記第1のゾーンより小さい前記混合物に対する撥性を有する前記基板の第2の領域の第2のゾーンと、前記第1の領域によって前記第2の領域から離隔された前記基板の第3の領域、前記第1のゾーンより小さい前記混合物に対する撥液性を有する第3のゾーンとを含む閉じ込め構造を前記基板上に形成することと
前記混合物が、前記第1のゾーンの相対的な撥液性によって第2の領域と第3の領域に閉じ込められ、かつ、前記基板の前記第1の領域ないように前記基板の上に前記混合物をドロップレット付着することを特徴とする方法。
A source electrode and a drain electrode of the transistor to a method of forming on a substrate, before SL method,
Forming a mixture by mixing the electrode material with the liquid;
A first zone of the first region of the substrate, and a second zone of the second region of the substrate having a liquid repellency to the previous SL first zone is less than said mixture, by the first region and said third region of said substrate spaced apart from the second region, the third child of forming a containment structure comprising a zone on the substrate having a first liquid repellent on the zone is less than said mixture And
The mixture is confined in the second region and the third region by the relative liquid repellency of the first zone, and on the substrate such that it is not in the first region of the substrate. mixture how you characterized in that droplets adhere.
前記第2の領域と前記第3の領域との間の前記第1の領域の幅が20μmよりも小さいことを特徴とする請求項1記載の方法。  The method of claim 1, wherein a width of the first region between the second region and the third region is less than 20 μm. 前記第2の領域と前記第3の領域との間の前記第1の領域の幅が10μmよりも小さいことを特徴とする請求項1記載の方法。  The method of claim 1, wherein a width of the first region between the second region and the third region is less than 10 μm. 前記第1の領域に他の材料を付着するステップを含むことを特徴とする請求項記載の方法。The method according to claim 1, comprising the step of adhering other materials to the first region. 前記第1の領域に付着された他の材料が、前記トランジスタのチャネルを形成することを特徴とする請求項記載の方法。5. The method of claim 4 , wherein other material deposited on the first region forms a channel of the transistor. 記他の材料が半導電性であることを特徴とする請求項記載の方法。The method of claim 5, wherein the pre-SL other materials is semiconductive. 前記他の材料がポリマー材料であることを特徴とする請求項乃至のいずれかに記載の方法。The method according to any one of claims 4 to 6, wherein the other material is a polymeric material. 前記他の材料が溶液から付着されることを特徴とする請求項乃至のいずれかに記載の方法。8. A method according to any one of claims 4 to 7 , wherein the other material is deposited from a solution. 前記他の材料が、前記第1のゾーンによって実質的に撥水されない液体の溶液から付着されることを特徴とする請求項記載の方法。9. The method of claim 8 , wherein the other material is deposited from a liquid solution that is not substantially water repellent by the first zone. 複数の領域に導電性材料あるいは半導電性材料を含む電子スイッチング素子を基板上に形成する方法であって、
前記材料と液体とを混合することによって混合物を形成し、
前記基板の第1の領域の第1のゾーンと、前記第1のゾーンよ小さい前記混合物に対する撥性を有する前記基板の第2の領域の第2のゾーンと、前記第の領域によって前記第の領域から離隔された前記基板の第3の領域の、前記第2のゾーンより大きい前記混合物に対する撥液性を有する第3のゾーンとを含む閉じ込め構造を前記基板上に形成することと
前記混合物が、前記第1および第3のゾーンの相対的な撥性によって前記第2のゾーンに閉じ込められるように前記基板の上に前記混合物をドロップレット付着することを特徴とする方法。
A method of forming an electronic switching element including a conductive material or a semiconductive material in a plurality of regions on a substrate,
Forming a mixture by mixing the material and liquid;
A first zone of the first region of the substrate, and a second zone of the second region of the substrate having a liquid repellency to the previous SL Small said mixture Ri by the first zone, the second Forming a confinement structure on the substrate comprising a third zone of the substrate separated from the first region by a region and a third zone having a liquid repellency to the mixture that is greater than the second zone ; and the child,
The mixture is how you characterized by droplets adhering said mixture onto said substrate so as to be confined in the second zone by the relative liquid repellency of the first and third zones .
前記第2のゾーンの幅が20μmよりも小さいことを特徴とする請求項1記載の方法。The method of claim 1 0, wherein the width of said second zone being less than 20 [mu] m. 前記第2のゾーンの幅が10μmよりも小さいことを特徴とする請求項1記載の方法。The method of claim 1 0, wherein the width of said second zone being less than 10 [mu] m. 前記材料が導電性であることを特徴とする請求項1乃至1のいずれかに記載の方法。The method according to any one of claims 1 0 to 1 2, wherein said material is electrically conductive. 前記電子スイッチング素子がゲート電極とソース電極およびドレイン電極を含むトランジスタであり、前記材料が前記トランジスタの前記ゲート電極を形成することを特徴とする請求項1記載の方法。 The electronic switching element is a transistor including a gate electrode and a source electrode and a drain electrode, according to claim 1 3 method, wherein said material forming said gate electrode of said transistor. 前記トランジスタの前記ゲート電極とソース電極およびドレイン電極それぞれとの間の重複領域の幅が20μmよりも小さいことを特徴とする請求項1記載の方法。The claims 1 to 4, the method according to the width of the overlap region between each gate electrode and the source electrode and the drain electrode is equal to or less than 20μm of the transistor. 前記トランジスタの前記ゲート電極とソース電極およびドレイン電極それぞれとの間の重複領域の幅が10μmよりも小さいことを特徴とする請求項1記載の方法。The claims 1 to 4, the method according to the width of the overlap region between each gate electrode and the source electrode and the drain electrode is equal to or less than 10μm of the transistor. 前記基板の表面が、自己組み立て単層によって与えられ、かつ前記第1および第2のゾーンの少なくとも1つが自己組み立て単層のパターン化によって規定されることを特徴とする請求項1乃至1のいずれかに記載の方法。The surface of the substrate is given by the self-assembled monolayer, and claim 1 0 to 1 the first and second zones of at least one, characterized in that defined by the patterning of self-assembled monolayer 6 The method in any one of. 自己組み立て単層をパターン化するステップが、シャドウマスクを通る光にさらすことによって実行されることを特徴とする請求項17記載の方法。The method of claim 17 , wherein the step of patterning the self-assembled monolayer is performed by exposure to light through a shadow mask. 自己組み立て単層をパターン化するステップが、前記基板を軟らかいスタンプと接触させることによって実行されることを特徴とする請求項18記載の方法。The method of claim 18 , wherein patterning a self-assembled monolayer is performed by contacting the substrate with a soft stamp. 前記基板が平面構造部材を含む、前記第1および第2のゾーンが、前記平面構造部材上に付着される層の露光表面上に形成されることを特徴とする請求項1乃至19のいずれかに記載の方法。 Wherein the substrate comprises a planar structural members, said first and second zones, any one of claims 1 to 19, characterized in that it is formed on the exposed surface of the layer is deposited on said planar structural members The method described in 1. 前記第1の領域の前記混合物の接触角が、前記第2の領域の前記混合物の前記接触角より20°だけ大きいことを特徴とする請求項1乃至20のいずれかに記載の方法。 21. A method according to any preceding claim , wherein the contact angle of the mixture in the first region is 20 degrees greater than the contact angle of the mixture in the second region. 前記第1の領域の前記混合物の接触角が、前記第2の領域の前記混合物の前記接触角より40°だけ大きいことを特徴とする請求項1乃至20のいずれかに記載の方法。 21. A method according to any preceding claim , wherein the contact angle of the mixture in the first region is 40 degrees greater than the contact angle of the mixture in the second region. 前記第1の領域の前記混合物の接触角が、前記第2の領域の前記混合物の前記接触角より80°だけ大きいことを特徴とする請求項1乃至20のいずれかに記載の方法。 21. A method as claimed in any preceding claim , wherein the contact angle of the mixture in the first region is 80 degrees greater than the contact angle of the mixture in the second region. 前記基板の表面が、自己組み立て単層によって与えられ、かつ前記第1および第2のゾーンの少なくとも1つが自己組み立て単層のパターン化によって規定されることを特徴とする請求項1乃至20のいずれかに記載の方法。 21. Any of the preceding claims , wherein the surface of the substrate is provided by a self-assembled monolayer and at least one of the first and second zones is defined by patterning of the self-assembled monolayer. The method of crab. 自己組み立て単層をパターン化するステップが、シャドウマスクを通る光にさらすことによって実行されることを特徴とする請求項2記載の方法。Self-assembly step of patterning the monolayer, claims 2 to 4 The method according to, characterized in that it is performed by exposure to light through a shadow mask. 自己組み立て単層をパターン化するステップが、前記基板を軟らかいスタンプと接触させることによって実行されることを特徴とする請求項2記載の方法。The step of patterning the self-assembled monolayer, claims 2 to 4 The method according to, characterized in that it is carried out by contacting the substrate with the soft stamp. 前記基板の表面が、非極性材料によって与えられ、かつ前記第1および第2のゾーンの少なくとも1つが前記非極性ポリマーの表面処理によって規定されることを特徴とする請求項1乃至26のいずれかに記載の方法。The surface of the substrate is given by a non-polar material, and any one of claims 1 to 26 wherein the first and second zones of at least one, characterized in that it is defined by the surface treatment of the non-polar polymer The method described in 1. 非極性材料がポリイミドであることを特徴とする請求項27記載の方法。28. The method of claim 27 , wherein the nonpolar material is polyimide. 前記ポリイミドの分子アライメントを促進するために前記ポリイミドを機械的にこするステップを含むことを特徴とする請求項28記載の方法。29. The method of claim 28 , comprising mechanically rubbing the polyimide to facilitate molecular alignment of the polyimide. 前記ポリイミドの分子アライメントを促進するために前記ポリイミドを光学的に処理するステップを含むことを特徴とする請求項28記載の方法。29. The method of claim 28 , comprising optically treating the polyimide to facilitate molecular alignment of the polyimide. 前記表面処理がエッチングであることを特徴とする請求項27記載の方法。28. The method of claim 27 , wherein the surface treatment is etching. 前記表面処理がプラズマ処理であることを特徴とする請求項27記載の方法。28. The method of claim 27, wherein the surface treatment is a plasma treatment. 前記プラズマが、四弗化炭素および/または酸素プラズマであることを特徴とする請求項3記載の方法。3. A method according to, characterized in that said plasma is a carbon tetrafluoride and / or oxygen plasma. 前記表面処理が、紫外線光にさらすことを含むことを特徴とする請求項27記載の方法。28. The method of claim 27 , wherein the surface treatment includes exposure to ultraviolet light. 前記第2のゾーンが前記非極性ポリマーの表面処理によって規定されることを特徴とする請求項27乃至3のいずれかに記載の方法。The method according to any one of claims 27 to 3 4, characterized in that said second zone is defined by the surface treatment of the non-polar polymer. 前記第1のゾーンが、前記他の材料の整列分子構造を誘起することを特徴とする請求項4乃至9のいずれかに記載の方法。10. A method according to any one of claims 4 to 9 , wherein the first zone induces an aligned molecular structure of the other material. 前記第1のゾーンが、前記他の材料にポリマーチェーンのアライメントを誘起できることを特徴とする請求項4乃至9のいずれかに記載の方法。10. A method according to any of claims 4 to 9 , wherein the first zone is capable of inducing polymer chain alignment in the other material . 前記第1のゾーンが、前記第1のゾーンの上に付着されたポリマー材料のチェーンのアライメントを誘起できることを特徴とする請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the first zone, characterized in that it induces the alignment of the chain of the deposited polymeric material over said first zone. 前記アライメントが、前記第2および第3のゾーン間に延びる方向にあることを特徴とする請求項37記載の方法。38. The method of claim 37 , wherein the alignment is in a direction extending between the second and third zones. 前記混合物のドロップレットがインクジェット印刷によって付着されることを特徴とする請求項1乃至39のいずれかに記載の方法。 40. A method according to any preceding claim, wherein the droplets of the mixture are deposited by ink jet printing. 前記ドロップレットが、前記混合物が前記第1のゾーンと前記第2のゾーンとの境界を広げるように、付着されることを特徴とする請求項44あるいは45記載の方法。 46. A method according to claim 44 or 45 , wherein the droplets are deposited such that the mixture widens the boundary between the first zone and the second zone . 前記第1および第2のゾーン間の境界が光学的に異なっていて、かつ前記方法が、前記第1および第2のゾーン間の境界を検出し、かつこの検出に応じてインクジェット印刷素子を前記基板に対して位置決めするステップを含むことを特徴とする請求項4に記載の方法。The boundary between the first and second zones is optically different, and the method detects a boundary between the first and second zones, and in response to this detection, the ink jet printing element is the method of claim 4 0, characterized in that it comprises a step of positioning the substrate. 前記混合物の材料がポリマーであることを特徴とする請求項1乃至42のいずれかに記載の方法。43. A method according to any preceding claim, wherein the material of the mixture is a polymer. 前記混合物の材料が共役ポリマーであることを特徴とする請求項1乃至39のいずれかに記載の方法。The method according to any one of claims 1 to 39, wherein the material of said mixture is conjugated polymer. 前記混合物の材料が、前記液体で懸濁できる無機微粒子であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の方法。The method according to any one of claims 1 to 4 3 material of said mixture, characterized in that an inorganic fine particle that can be suspended in the liquid. 前記トランジスタ素子または電子素子がロジック回路、ディスプレイ素子あるいはメモリ素子の一部である、請求項1乃至45のいずれかに記載の方法 46. A method according to any preceding claim, wherein the transistor element or electronic element is part of a logic circuit, display element or memory element. 前記トランジスタ素子または電子素子が、ロジック回路、ディスプレイ素子あるいはメモリ素子のための複数のトランジスタのアクティブマトリックスアレイの一部を形成する、請求項1乃至45のいずれかに記載の方法 46. A method according to any preceding claim, wherein the transistor element or electronic element forms part of an active matrix array of transistors for a logic circuit, display element or memory element .
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